RICERCA ITALIANA     

STUDIO DEI MECCANISMI DI CONTROLLO DELLA CRESCITA VEGETATIVA IN GENOTIPI DI OLIVO (OLEA EUROPAEA L.) CONTRADDISTINTI DA DIVERSO VIGORE

Università degli Studi di Palermo

Abstract

Obiettivo del programma di ricerca proposto è lo studio degli aspetti morfologici, isto-anatomici, genetico-molecolari ed ecofisiologici dei processi coinvolti nel controllo della crescita vegetativa in olivo. Oggetto di ricerca saranno due cloni della cultivar "Leccino" contraddistinti da potenziale di crescita vegetativa opposto: il "Leccino Minerva", ed il "Leccino dwarf", quest'ultimo caratterizzato da ridotto vigore. Inoltre, allo scopo di verificare il livello di controllo esercitato dall'ambiente sui fattori di regolazione della crescita, i suddetti aspetti saranno studiati in due regimi radiativi differenziati.
L'articolazione della ricerca proposta trova le sue motivazioni nella importanza, rilevata in numerose specie, dei meccanismi di regolazione delle relazioni idriche nel controllo dei processi di crescita e di ripartizione delle risorse. A tale fine, si pone come centrale la integrazione tra le informazioni che verranno acquisite nello studio dell'architettura idraulica della pianta, e dei suoi sistemi di regolazione molecolare, con quelle relative alla produttività primaria ed alla ripartizione degli assimilati e dei nutrienti nei diversi organi della pianta. L'integrazione tra tali livelli di conoscenza sarà resa possibile anche in virtù dell'applicazione di tecniche di indagine di carattere fortemente innovativo che offrono la possibilità di pervenire alla stima "in vivo" di importanti parametri delle relazioni idriche delle piante con elevata precisione e su vari livelli di scala.
Nel progetto di ricerca che si propone, particolare enfasi sarà riservata ai principali processi della produttività primaria, quali quelli relativi alla efficienza di assorbimento e di trasporto dell'acqua nonchè della fotosintesi, dell'accumulo e della ripartizione dei carboidrati e degli elementi minerali. Tali aspetti saranno affrontati sia con approccio ecofisiologico che genetico-molecolare.
Uno degli obiettivi principali, è quello di pervenire ad una valutazione delle limitazioni idrauliche alle dinamiche dell'acqua nella pianta in funzione dell'influenza reciproca delle porzioni epigee ed ipogee dell'albero, sia dal punto di vista molecolare che ecofisiologico. Dal punto di vista molecolare, il livello di espressione genica delle aquaporine sarà posto in relazione ai parametri dell'architettura idraulica e del potenziale di crescita dei genotipi in studio. Allo scopo di isolare le componenti della resistenza idraulica della pianta, osservazioni di tipo ecofisiologico saranno effettuate "in situ" mediante flussometro ad alta pressione (HPFM). Si intende affrontare il problema anche dal punto di vista isto-anatomico, prendendo in esame i processi relativi al ruolo dell'anatomia del sistema vascolare sulle dinamiche dell'acqua nella pianta. Osservazioni sugli scambi gassosi nella chioma, in rapporto al tasso di assimilazione e di ripartizione della sostanza secca e dei carboidrati nella pianta potranno fornire elementi di giudizio sull'efficienza idrica e su quella fotosintetica delle piante dei due genotipi, anche in rapporto ai due regimi radiativi.
Le suddette indagini, assieme ad osservazioni sulle dinamiche di crescita e dei tassi di respirazione specifici dei singoli organi vegetativi, porteranno alla definizione di un quadro abbastanza preciso del bilancio del carbonio della pianta attraverso l'implementazione di uno specifico modello di simulazione dinamica. Tale integrazione, consentirà di evidenziare i più importanti processi fisiologici che intervengono nella regolazione della crescita vegetativa e di verificare il livello di controllo esercitato dall'ambiente sull'espressione del potenziale vegetativo dei due genotipi. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Tiziano CARUSO Università degli Studi di PALERMO

Obiettivo del Programma di Ricerca

In olivicoltura, la necessità di pervenire ad una drastica riduzione dei costi colturali e ad un rapido ammortamento dei capitali investiti pone l'esigenza di meccanizzare integralmente le operazioni di raccolta e di potatura. La disponibilità di piante di taglia contenuta, costituisce il presupposto fondamentale per la intensificazione degli impianti e per l'impiego di macchine semoventi di elevata efficienza operativa. Mentre in diverse specie arboree da frutto al controllo della mole della pianta si è pervenuto attraverso l'impiego di portinnesti, nel caso dell'olivo, sembra che la via da percorrere sia quella di utilizzare piante autoradicate di cultivar contraddistinte da basso potenziale di crescita vegetativa.
A tal fine, in questi ultimi anni, genotipi caratterizzati da modesto vigore sono stati destinati ad impianti intensivi gestiti mediante l'uso di macchine "scavallatrici".
Attualmente, nell'ambito del germoplasma olivicolo mondiale, sono pochi i genotipi riconosciuti adattabili a sistemi colturali intensivi integralmente meccanizzabili, per cui l'adozione su larga scala di tali genotipi porterebbe ad un impoverimento della piattaforma varietale, con un conseguente appiattimento delle tipologie di prodotto offerto.
In questo senso, diviene importante estendere le attività di studio del germoplasma anche al pool di caratteri legati alla crescita vegetativa e, nell'ambito di programmi di miglioramento genetico, selezionare anche tenendo conto del vigore. Proprio a questo scopo si rende necessario approfondire le conoscenze sui meccanismi che presiedono al controllo della crescita vegetativa in olivo.
Obiettivo del programma di ricerca proposto è lo studio degli aspetti morfologici, isto-anatomici, genetico-molecolari ed ecofisiologici dei processi coinvolti nel controllo della crescita vegetativa.
Oggetto di ricerca saranno due cloni della cultivar Leccino contraddistinti da potenziale di crescita vegetativa opposto: il "Leccino Minerva", ed il "Leccino dwarf", quest'ultimo caratterizzato da ridotto vigore. Inoltre, allo scopo di verificare il livello di controllo esercitato dall'ambiente sui fattori di regolazione della crescita, i suddetti aspetti saranno studiati in due regimi radiativi differenziati.
Nel progetto di ricerca che si propone, particolare enfasi sarà riservata ai principali processi della produttività primaria, quali quelli relativi alla efficienza di assorbimento e di trasporto dell'acqua nonchè della fotosintesi, dell'accumulo e della ripartizione dei carboidrati e degli elementi minerali. Tali aspetti saranno affrontati sia con approccio ecofisiologico che genetico-molecolare.
Uno degli obiettivi principali, è quello di pervenire ad una valutazione delle limitazioni idrauliche alle dinamiche dell'acqua nella pianta in funzione dell'influenza reciproca delle porzioni epigee ed ipogee dell'albero, sia dal punto di vista molecolare che ecofisiologico. Dal punto di vista molecolare, il livello di espressione genica delle aquaporine sarà posto in relazione ai parametri dell'architettura idraulica e del potenziale di crescita dei genotipi in studio. Allo scopo di isolare le componenti della resistenza idraulica della pianta, osservazioni di tipo ecofisiologico saranno effettuate "in situ" mediante flussometro ad alta pressione (HPFM). Si intende affrontare il problema anche dal punto di vista isto-anatomico, prendendo in esame i processi relativi al ruolo dell'anatomia del sistema vascolare sulle dinamiche dell'acqua nella pianta.
Osservazioni sugli scambi gassosi nella chioma, in rapporto al tasso di assimilazione e di ripartizione della sostanza secca e dei carboidrati nella pianta potranno fornire elementi di giudizio sull'efficienza idrica e su quella fotosintetica delle piante dei due genotipi, anche in rapporto ai due regimi radiativi.
Le suddette indagini, assieme ad osservazioni sulle dinamiche di crescita e dei tassi di respirazione specifici dei singoli organi vegetativi, porteranno alla definizione di un quadro abbastanza preciso del bilancio del carbonio della pianta attraverso l'implementazione di uno specifico modello di simulazione dinamica. Tale integrazione, consentirà di evidenziare i più importanti processi fisiologici che intervengono nella regolazione della crescita vegetativa e di verificare il livello di controllo esercitato dall'ambiente sull'espressione del potenziale vegetativo dei due genotipi.

L'articolazione della ricerca proposta trova le sue motivazioni nella importanza, rilevata in numerose specie, dei meccanismi di regolazione delle relazioni idriche nel controllo dei processi di crescita e di ripartizione delle risorse. A tale fine, si pone come centrale la integrazione tra le informazioni che verranno acquisite nello studio dell'architettura idraulica della pianta, e dei suoi sistemi di regolazione molecolare, con quelle relative alla produttività primaria ed alla ripartizione degli assimilati e dei nutrienti nei diversi organi della pianta. L'integrazione tra tali livelli di conoscenza sarà resa possibile anche in virtù dell'applicazione di tecniche di indagine di carattere fortemente innovativo che offrono la possibilità di pervenire alla stima "in vivo" di importanti parametri delle relazioni idriche delle piante con elevata precisione e su vari livelli di scala. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Come per gran parte delle specie arboree da frutto decidue delle zone temperate, anche per l'olivo, pianta sempreverde, capace di valorizzare ambienti siccitosi, la problematica connessa con il contenimento della mole dell'albero è divenuta oggetto di attività di ricerca presso importanti istituzione scientifiche dei Paesi che si affacciano sul Mar Mediterraneo (Del Rio et al., 2000). La possibilità di disporre di genotipi con ridotta crescita vegetativa dell'albero rappresenta, infatti, uno strumento indispensabile per incoraggiare un'attività produttiva che da anni evidenzia segni di debolezza. Sulla base di quanto avvenuto in frutticoltura, anche per l'olivo si rende necessario rinnovare gli impianti, intensificandoli, per consentire la riduzione del periodo improduttivo, aumentare le produzioni unitarie e, in funzione della destinazione del prodotto, meccanizzare integralmente o, almeno, agevolare la raccolta (Tous et al., 1999). Per rilanciare lo sviluppo dell'olivicoltura diviene, pertanto, indispensabile disporre di cultivar caratterizzate da modesta crescita vegetativa e rapida messa a frutto.
Recentemente, ai fini della scelta varietale, l'attenzione si è spostata maggiormente sui suddetti caratteri piuttosto che sulla produttività e sulla resa in olio, tanto che l'introduzione dell'olivicoltura in nuovi Paesi, avviene attraverso cultivar, quali "Arbequina", "Koroneiki" e "Arbosana", in passato considerate di secondaria importanza sia dal punto di vista della produttività che della qualità del prodotto. La tendenza a preferire le cultivar di modesto vigore e di precoce messa a frutto, sta investendo tutti i paesi olivicoli che, nell'ambito delle rispettive risorse genetiche, guardano con maggiore attenzione al potenziale di crescita del proprio panorama varietale, privilegiando i genotipi di modesto vigore. Anche nell'ambito di attività di "breeding", l'obiettivo del controllo della crescita in olivo, va assumendo un ruolo preponderante, tanto da far sì che i ricercatori rivisitano i propri campi di selezione guardano a questo nuovo carattere, in passato trascurato. Sono emerse così alcune selezioni con caratteristiche vegetative interessanti. In particolare, dai programmi di miglioramento genetico per mutagenesi indotta attraverso radiazioni ionizzanti, una mutazione della cultivar "Leccino", denominata "Leccino dwarf" è caratterizzata da bassa crescita vegetativa, con riduzioni di taglia, rispetto allo standard, fino al 50%, ed è stata inserita in programmi di valutazione sia ai fini dell'utilizzo come portinnesto nanizzante che come cultivar autoradicata (Pannelli et al., 2000). Nonostante da diversi anni siano state avviate le prove di valutazione agronomica in pieno campo, poche sono le informazioni sui meccanismi che intervengono sul vigore vegetativo di tali genotipi. In particolare, nell'olivo, non è ancora oggi noto se le riduzioni di crescita osservate nei genotipi di basso vigore siano riconducibili a limitazioni del "source", per una diversa attività fotosintetica delle foglie, oppure ascrivibili a limitazioni da "sink", in relazione ad un basso potenziale di crescita degli apici vegetativi. Altri fattori di riduzione del potenziale di crescita vegetativa potrebbero, inoltre, risiedere nella scarsa funzionalità dei sistemi di assorbimento e di trasporto delle risorse (Tyree e Zimmerman, 2002) o nella diversa sensibilità a stress ambientali. Anche in altre specie arboree da frutto, per le quali sono stati segnalati genotipi con ridotto vigore vegetativo, il meccanismo di controllo della crescita è conosciuto solo in parte e, in genere, coinvolge sia gli aspetti relativi alle limitazioni da sink, che quelli che fanno riferimento ai source (Ho et al., 1989). Così, ad esempio, nei genotipi brachitici di pesco (Corelli et al., 1995), è stata rilevata una drastica riduzione nell'assimilazione netta dell'albero rispetto ai genotipi standard. Tale riduzione, più che essere legata ad una minore attività specifica del "source", è risultata determinata da una più contenuta attività fotosintetica complessiva della chioma in rapporto a fenomeni di ombreggiamento reciproco che si instaurano nel fogliame.
E' d'altra parte noto, che modificazioni profonde nel modello di crescita vegetativa delle piante, possono essere comunemente ottenute in vivaio mediante l'uso di reti ombreggianti (Camilo et al, 2002). I suddetti effetti sono stati messi in relazione sia alla riduzione dei fenomeni di foto-inibizione ed alla minore incidenza dei processi respiratori conseguenti ad un minore regime termico delle foglie (Sorrentino et al., 1997). In olivo, notoriamente, tali reti hanno l'effetto finale di conferire alla pianta una maggiore crescita vegetativa e, in ultima analisi, di abbreviare il ciclo di produzione in vivaio.
Nell'analizzare il controllo della crescita vegetativa di piante arboree è pertanto necessario fare riferimento al complesso dei meccanismi che sono coinvolti nel processo, tenendo nella dovuta considerazione le interazioni che si stabiliscono tra i siti di produzione (source) e quelli di utilizzazione (sink) degli assimilati all'interno della pianta (Koerner, 2003).
Diversi modelli ecofisiologici sono stati realizzati per simulare lo sviluppo vegetativo e riproduttivo delle piante (Grossman e DeJong, 1994). In tali modelli, la crescita è espressa come il risultato dell'interazione tra processi fisiologici quali la fotosintesi, la respirazione, la traslocazione e l'accumulo di carbonio, che possono essere osservati a differenti livelli di organizzazione: cellula, organo e pianta. Secondo l'approccio meccanicistico che caratterizza le basi teoriche dei modelli, la pianta è costituita da un complesso di organi semi-autonomi ma interagenti e la ripartizione del carbonio è regolata dalla competizione tra gli organi (Grossman e DeJong, 1994). Nel bilancio del carbonio, quindi, gli assimilati costituiscono l'"offerta", che sostiene la crescita e la respirazione delle varie parti della pianta che rappresentano la "domanda".
Modelli di simulazione del bilancio del carbonio e della crescita, sono stati utilizzati per analisi di fenomeni fisiologici anche complessi come la risposta dei frutti di Citrus (Goldschmidt et al., 1992) o di pesco (DeJong e Grossman, 1992) ad interventi di riduzione della carica produttiva.
In letteratura è ampiamente riportato che le piante adattate a vivere in ambienti ombreggiati presentano una maggiore allocazione di biomassa a livello delle foglie ed una più alta area fogliare per unità di massa fogliare, nonché fusti più lunghi (Popma & Bongers, 1988). Le foglie d'ombra, infatti, hanno bassi tassi di respirazione, ovvero una bassa attività fisiologica, che permette loro di mantenere costi più bassi, ridurre le perdite di carbonio a favore di tassi di crescita potenziale relativa più alti (Letho & Grace, 1994). Al contrario, le piante adattate a vivere ad alta intensità luminosa investono molto nell'accumulo della massa radicale in modo da poter meglio compensare l'acqua perduta per un'attività traspirativa più elevata. In diversi studi è stato messo in evidenza che, soprattutto negli stadi giovanili, la condizione di pieno sole non sempre corrisponde alla massima produzione di biomassa soprattutto in condizione di stress idrico o nutritivo (Conhan et al., 1996). Anzi, in un recente studio, Poorter (1999) ha messo in evidenza che la crescita, nei genotipi da lui studiati, è rallentata sia da condizioni estreme di bassa che di elevata intensità luminosa. Inoltre, sebbene siano già stati compiuti alcuni studi sull'analisi della crescita delle piante in funzione della radiazione luminosa, nessuna ricerca è stata ancora effettuato (per quanto di nostra conoscenza) sulle risposte in termini di attività cambiale che possa pertanto indurre modifiche sull'anatomia e sulla produzione del legno e del tessuto floematico di specie sottoposte a diversi gradienti luminosi.
È ampiamente noto in letteratura, infatti, che la dimensione e la lunghezza dei vasi condiziona fortemente la capacità di condurre l'acqua della pianta (secondo la legge di Poiseuille) e che l'architettura idraulica della pianta rappresenta un fattore fortemente determinante la sua produttività. La capacità idraulica del sistema vascolare della pianta, infatti, occupa un ruolo centrale nella regolazione della conduttanza stomatica e di conseguenza del tasso fotosintetico (Sperry, 2000). A tal proposito negli ultimi anni numerosi studi sono stati fatti sulla relazione esistente tra la cavitazione dei condotti xilematici,il potenziale dell'acqua e la chiusura degli stomi(Trifilò et al., 2003) e tra gli scambi gassosi fogliari, le proprietà idrauliche della foglia e la produttività (Lo Gullo et al., 2000). L'embolia dei condotti xilematici è quanto meno corresponsabile della chiusura stomatica (Trifilò et al., 2003) in quanto permette alla pianta di prevenire l'embolia di altri vasi secondo un meccanismo di feedback negativo (Tyree & Sperry, 1988).
E' noto che lo stress idrico determina modificazioni della conduttanza idraulica delle radici (Lo Gullo et al. 1998), fusti (Sperry & Tyree 1988) e foglie (Nardini et al. 2001). In alcuni casi, le variazioni delle proprietà idrauliche delle piante sono attribuibili a fattori morfo-anatomici, come ad esempio il diametro dei vasi xilematici, ciò che si verifica nel caso di prolungata esposizione della pianta ad un determinato fattore ambientale, cosicchè lo stesso modello di sviluppo e accrescimento della pianta ne risulta influenzato. Tuttavia, sono note anche variazioni a breve termine nelle capacità di trasporto dell'acqua dei vari organi vegetali indotte, ad esempio, da cicli di embolia xilematica e successivo ‘refilling' (Salleo et al. 2004) oppure da meccanismi di espressione e/o attivazione e regolazione di aquaporine che sono state recentemente riconosciute quali proteine di trasporto coinvolte nella regolazione delle proprietà idrauliche delle membrane delle cellule vegetali e quindi capaci di influenzare l'architettura idraulica complessiva della pianta (Maurel & Chrispeels 2001).
Studi recenti hanno dimostrato come la luce rappresenti un fattore ambientale in grado di modulare le proprietà idrauliche di radici e foglie sia a lungo termine (Tyree et al. 1998) che a breve termine (Nardini et al. 2005; Tyree et al. 2005). Al meglio delle nostre conoscenze, non è mai stato verificato sperimentalmente l'effetto dell'irradianza sulla conduttanza idraulica complessiva della pianta e in particolare sulla ripartizione delle resistenze idrauliche nella via di trasporto dell'acqua dalle radici alle foglie.
La luce è sorgente di energia per la fotosintesi, tuttavia, eccessi di luce possono risultare dannosi (fotoinibizione). La fotoinibizione riduce l'efficienza fotosintetica (Long et al. 1994) in misura differente in relazione a specie vegetale ed ambiente di provenienza e di vita della pianta. In generale le piante sciafile sono più sensibili alla fotoinibizione che le piante eliofile (Osmond 1994); in tutte le piante la fotoinibizione riduce produttività e crescita, soprattutto nelle prime fasi di sviluppo, e può risultare fattore critico per la sopravvivenza e/o l'acclimatazione in ecosistemi naturali e/o agrari (Takahashi et al. 2002).
E' ormai accertato che alla base dei meccanismi fotoinibitori vi siano le specie reattive dell'ossigeno (Reactive Oxygen Species - ROS), prodotte durante la fotolisi dell'acqua operata dal fotosistema II (PSII) della membrana tilacoidale. Le ROS, prodotte a catena dall'acqua, sono: il radicale idrossile (•OH), il perossido d'idrogeno (H2O2), il radicale superossido (O2-), ed il singoletto d'ossigeno (O2). Queste specie chimiche, altamente reattive, ossidano molecole dei complessi proteici transmembrana nel tilacoide del cloroplasto, inibendo parzialmente le ossidoriduzioni della catena fotosintetica. Inoltre inibiscono la sintesi della proteina D1 del PSII, che è essenziale per i processi di recupero post-fotoinibizione (Nishiyama et al. 2001).
L'olivo è pianta eliofila, che può contare su efficienti sistemi enzimatici di protezione dall'ossidazione di origine fotoinibitoria. Tali enzimi, superossido dismutasi, ascorbato perossodasi, indolacetato e polifenol ossidasi, presentano elevata attività in condizioni altamente radiative, condizioni che innescano stress ossidativi da eccessi di luce. E' inoltre interessante notare che la presenza di stress idrico può modulare l'attività di tali sistemi enzimatici in olivo, suggerendo che la capacità dell'olivo di attivare il sistema enzimatico antiossidativo sia un importante tassello dei meccanismi dell'olivo di tolleranza alla siccità (Sofo et al. 2005).
Alle acquaporine (= MIPs, Major Intrinsic Proteins) sono state di recente riconosciute attività importanti nella regolazione delle relazioni idriche delle piante, soprattutto in presenza di stress idrico (Siefritz et al. 2002). Recentemente Secchi et al. (2004) hanno clonato in olivo due geni differenti codificanti per acquaporine: uno, OePIP1, che appartiene alla sottofamiglia delle PIP1, e l'altro, OePIP2 a quella delle PIP2.
Nella radice di molte specie vegetali sono state individuate fluttuazioni durante il giorno dell'espressione delle acquaporine, in dipendenza dei livelli d'illuminazione (Harmer et al. 2000). In tali lavori è stato spesso riscontrato un forte parallelismo tra livelli di espressione genica in cellule e tessuti radicali e regolazione del trasporto idrico radicale. Per esempio, in Lotus japonicus, Henzler e collaboratori (1999) hanno osservato fluttuazioni diurne della permeabilità delle radici in stretta corrispondenza con la maggior espressione di mRNA che codificavano per acquaporine della sottofamiglia PIP1. Tali fluttazioni sono avvertite come segnale idraulico dagli stomi (Javot & Maurel 2002), che si chiudono al ridursi della conduttività idraulica dello xilema, prevenendo fenomeni di cavitazione ed embolizzazione del sistema di trasporto dell'acqua (Jackson et al. 2000). Le conoscenze riguardo l'attivazione e/o disattivazione delle acquaporine in condizioni di illuminazione eccessiva e/o in presenza di ROS sono invece assai scarse (Luu & Maurel 2005). Le ROS risultano essere inibitori più efficienti dei mercuriali, queste infatti possono provocare una diminuzione della conduttività idraulica fino a valori del 90%. Il meccanismo d'azione proposto prevede che i radicali idrossili ossidino direttamente le acquaporine, o indirettamente, attraverso l'ossidazione della matrice lipidica con formazione di radicali liberi secondari (Henzler et al. 2004). <<<