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Impaginato italus hortus

Review n. 10 – Italus Hortus 16 (4), 2009: 1-22
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 Light energy management in fruit
tus, although is not able to cope with the excessive species: utilization, photo-protec-
incoming energy, therefore photo-damage occurs.
tion and photo-damage. What impli-
Each event increasing the photon pressure and/ordecreasing the efficiency of the described photo-pro- cations for productivity?
tective mechanisms (i.e. thermal stress, water andnutritional deficiency) can emphasize the photoinhibi- Abstract. The energetic basis of orchard productivi-
tion. Likely in nature a small amount of not damaged ty lies in the interaction between the tree and sunlight.
photo-systems is found because of the effective, effi- The light intercepted by a plant is linearly related to cient and energy consuming recovery system. Since the amount of dry matter it produces. This concept the damaged PSII is quickly repaired with energy drew the evolution of the new, intensive orchard expense, it would be interesting to investigate how planting systems, although this dependence seems to much PSII recovery costs to plant productivity. This be more subordinate to planting system rather than review purposes to improve the knowledge about the light intensity. At whole plant level not always the several strategies accomplished for managing the increase of irradiance determines productivity incoming energy and the light excess implication on improvement. One of the reasons can be the plant photo-damage in plants. Furthermore the chlorophyll intrinsic un-efficiency in using energy. Generally in full fluorescence measure technique is described. This is light only the 5–10% of the total incoming photosyn- the most useful method, particularly because it can be thetic photon flux density (PPFD) is allocated to net used in vivo as well and it is possible to quantify and photosynthesis. Therefore preserving or improving discriminate the contribution of pathways in which the this efficiency becomes pivotal for scientist and fruit incoming photon pressure is engaged. Finally some growers. Net photosynthesis increases with light until cases of light excess linked with abiotic stresses and the saturation point and additional PPFD doesn't particular physiological condition on fruit species are improve 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 the Key words: Photosynthesis, photo-damage, Non
incoming light is enough for reaching the saturating Photochemical Quenching, electron alternative trans- point in most plant species. On the other hand, about ports, light excess.
half of the available light may be in excess. Eventough a conspicuous energy amount is reflected ortransmitted, plants can not avoid to absorb photons in excess. The chlorophyll over-excitation promotes thereactive oxygen species (ROS) production increasingthe photoinhibition (photo-damage) risks. The danger- Il comparto frutticolo vive in costante evoluzione ous consequences of photoinhibition forced plants to dovendo fronteggiare sempre nuove esigenze tecniche evolve a complex and multilevel machine able to dis- e di mercato che fanno aumentare i costi di produzio- sipate the energy excess quenching heat (Non ne, senza un corrispondente incremento dei prezzi al Photochemical Quenching), moving electrons (water- frutticoltore. Tale condizione stimola ricercatori e water cycle, cyclic transport around PSI, glutathione- frutticoltori a cercare metodi più efficienti per ottene- ascorbate cycle and photorespiration) and scaveng- re produzioni quanti/qualitativamente soddisfacenti a ing the generated ROS. The price plants must pay for costi ridotti. La maggiore disponibilità dei fattori della this equipment is the use of CO and reducing power produzione ed il miglioramento genetico, finalizzato with a consequent decrease of the photosynthetic effi- all'ottenimento di cultivar di taglia ridotta, hanno per- ciency, both because some photons are not used for messo lo sviluppo di nuove forme di allevamento carboxylation and an effective CO and reducing adatte agli impianti ad alta densità per utilizzare al power loss occurs. The wide photo-protective appara- massimo la superficie coltivabile. Il concetto principa- le da cui la frutticoltura ad alta densità ha preso le Losciale et al. mosse è stato l'esistenza di una relazione lineare tra fattore fondamentale per il profitto dell'azienda agri- intercettazione luminosa e produttività. Tuttavia in cola (Goedegebure, 1981). Per ottenere produzioni condizioni radiative soddisfacenti, quali quelle pre- quanti/qualitativamente remunerative sono stati via senti nel bacino mediterraneo, la produzione areica è via ottimizzati e resi più efficienti molteplici aspetti sembrata maggiormente legata alla densità di impian- agronomici come la gestione del suolo, la scelta della to più che alla intensità della radiazione incidente. cultivar, la gestione della concimazione, dell'irriga- Una quantità di luce eccedente la capacità di utiliz- zione e della difesa, infine la scelta della forma di zo da parte delle foglie innesca processi foto-ossidati- allevamento e della densità d'impianto più congenia- vi capaci di distruggere il sistema fotosintetico (fotoi- nibizione) con immaginabili ripercussioni sulla car- Secondo il principio proposto da Monteith inizial- bossilazione e sull'allocazione dei fotosintati verso la mente per piante di pieno campo, la produzione di riparazione piuttosto che a vantaggio della produzio- sostanza secca organicata è funzione lineare della luce ne. Il risultato è una minore efficienza e potenziale intercettata (Monteith, 1977). Tale concetto, verificato produttività degli impianti.
in seguito per i frutteti (Lakso, 1994) ha guidato la In un contesto generale, che pone grande enfasi frutticoltura moderna nello sviluppare forme di alleva- sulla sostenibilità delle pratiche agricole e della sem- mento aventi lo scopo di intercettare il maggior nume- pre più razionale utilizzazione delle risorse disponibi- ro di fotoni possibile. La massima efficienza di un li, diviene molto importante verificare l'esistenza e frutteto in termini di intercettazione luminosa e pro- l'entità di fenomeni connessi ad una non ottimale uti- duttività è ottenuta combinando forme di allevamento lizzazione della luce, per gli effetti che ciò può avere aperte e distanze di impianto ridotte, in modo tale da sia sulla produttività che sull'uso efficiente della ridurre la quantità di luce incidente al suolo, percepita risorsa acqua. Le conoscenze in queste problematiche come luce persa o come uno spreco di energia sono state limitate per molti anni ad esperimenti con- (Grossman e DeJong, 1998). Fermo restando che l'ec- dotti in laboratorio, per la loro complessità e per la cessivo auto-ombreggiamento da parte delle foglie mancanza di strumentazioni portatili che si potessero potrebbe avere conseguenze negative sull'attività car- utilizzare in campo. Negli ultimi anni, fortunatamente, bossilativa e sulla produzione finale delle piante questa limitazione strumentale è largamente scompar- (Taylor e Geisler-Taylor, 1989; Loreti e Massai, sa, aprendo le porte a nuovi studi che, seppur di base, 2002), il frutteto ideale dovrebbe avere la peculiarità promettono un ampia e rapida trasferibilità ai frutteti di garantire una copertura continua di foglie su tutta la specializzati presenti in Italia.
superficie di terreno occupata (Palmer, 1980). In questa review viene descritto il processo di A parità di specie frutticola e cultivar l'intercetta- fotoinibizione ed i diversi meccanismi di protezione e zione luminosa di un frutteto è determinata dal pro- riparazione che le piante hanno evoluto. Inoltre il dotto tra la densità di flusso fotonica incidente e LAI, lavoro riporta la principale metodologia utilizzata per a sua volta funzione di forma di allevamento e densità la determinazione del grado di fotoinibizione e foto- di impianto. La stessa intercettazione luminosa protezione in vivo ed alcuni casi colturali osservati su potrebbe essere ottenuta, ad esempio, riducendo il piante da frutto in cui l'eccesso luminoso è stato asso- numero di piante per ettaro e aumentando la pressione ciato a stress abiotici ed a particolari condizioni fisio- fotonica in ingresso. Da diversi studi effettuati è emerso che per le piante da frutto la produzione areica è maggiormente legata alla densità di impianto più Densità di impianto, forma d'allevamento, inter-
che alla pressione fotonica intercettata (Lakso, 1994).
cettazione luminosa e produttività
In pesco (Prunus persica L.), specie presente nella maggior parte delle aree frutticole italiane, piante alle- Nello scenario globalizzato della frutticoltura vate a "Vaso", "Cordone", "KAC-V" (Kearney moderna risulta essere decisamente arduo stabilire Agricultural Center Perpendicular-V) e "HiD KAC- quali siano le migliori strategie produttive e commer- V" (High Density KAC-V), aventi densità di impianto ciali da seguire per affrontare un mercato ad elevata rispettivamente di 299, 919, 919 e 1.196 piante per concorrenza. Un aspetto, indicato da molti analisti del ettaro, hanno evidenziato la stessa crop efficiency, settore come prerogativa essenziale ed imprescindibi- (rapporto tra sostanza secca dei frutti e area della le per il successo, è la qualità della produzione sezione del tronco). Inoltre "KAC-V" e "Cordone", (Calabrese et al., 2007). Allo stesso tempo non è pos- con stessa densità di impianto, hanno mostrato risulta- sibile trascurare la produttività di un frutteto poiché la ti simili per quanto riguarda resa e grammi di sostanza quantità di frutta prodotta e vendibile risulta essere il secca di frutta per metro quadro di suolo, nonostante Energia radiante nelle piante da frutto la forma a "Cordone" avesse intercettato più luce di dine nere, capaci di ridurre la radiazione incidente del "KAC-V" (Grossman e DeJong, 1998).
18-25% non ha sortito alcun effetto su consistenza della polpa, contenuto in solidi solubili ed acidità tito- Intercettazione luminosa, anatomia fogliare e qua-
labile. Solo nella cv Jonagold, in cui l'espressione del lità delle produzioni di pesco
colore è debolmente legata alla componente genetica, è stata riscontrata la posticipazione della raccolta di La luce riveste un ruolo di fondamentale importan- una settimana ed una minore intensità del sovracolore za anche per le caratteristiche anatomiche della pianta (Widmer, 2001).
e per la qualità dei frutti. Su piante di nettarina della cv ‘Nectagrand 1' allevate a "palmetta libera" le Più luce = più fotosintesi?
foglie posizionate alla sommità della chioma hanno evidenziato un maggior accumulo di amido nei cloro- Misure di fotosintesi netta effettuate su singola plasti, più strati di cellule a comporre il tessuto a foglia hanno evidenziato che la carbossilazione netta palizzata, maggiore spessore e densità di stomi delle aumenta in maniera lineare con la densità di flusso foglie all'ombra poste nei palchi inferiori (Baraldi et fotonico incidente fino al raggiungimento di uno stato al., 1994). Foglie cresciute al sole, inoltre, hanno fatto stazionario. L'intensità luminosa oltre la quale la foto- registrare valori più elevati di peso secco specifico, sintesi non subisce alcun incremento è detta punto di concentrazione azotata, conduttanza stomatica, con- saturazione. Questo fenomeno fu rilevato già da centrazione di carboidrati e fotosintesi netta rispetto a Bohning e Burnside (1956) su foglie di diverse specie foglie sviluppatesi all'ombra nonostante le prime con- di interesse agronomico ed ecologico e da Jensen e tenessero meno clorofilla totale (Kappel e Flore, Bassham (1966) su cloroplasti isolati. Nella vite (Vitis vinifera L.), il livello di luce saturante è stato rilevato Per quanto riguarda i parametri qualitativi la mag- tra 750 e 1.000 µmol fotoni m-2 s-1 (Escalona et al., giore intercettazione luminosa in peschi allevati a 1999); in melo la saturazione è raggiunta ad intensità "Palmetta" rispetto a piante a "Free spindle" ha cau- luminose molto variabili, tra 400 e 1.000 µmol fotoni sato una maturazione più precoce dei frutti (Loreti et m-2 s-1 in funzione diretta del contenuto di azoto nelle al., 1989). I caratteri qualitativi non sempre sono foglie (Cheng et al., 2001). Per il pesco il punto di risultati linearmente correlati alla intensità luminosa.
saturazione è indicato tra 700 e 900 µmol fotoni m-2 s- Prove condotte in pesco hanno mostrato una relazione 1 (Kappel e Flore, 1983) ed in actinidia (Actinidia diretta tra pezzatura, colore e disponibilità di luce deliciosa [(A.Chev.) C.F.Liang. & A.R.Ferguson]) la solare, tuttavia pigmentazione di fondo e sovracolore PPFD saturante è attestato tra 700 e 1.000 Ìmol fotoni rosso delle pesche sono risultate moderatamente lega- m-2 s-1 in funzione delle condizioni luminose di cresci- te alla luce. Gli autori hanno concluso che, probabil- ta della foglia (Greer e Halligan, 2001). mente, anche basse intensità di luce, come quelle dif- La fascia climatica di tutto il bacino del fuse all'interno della chioma, sarebbero state suffi- Mediterraneo è caratterizzata da assolate giornate pri- cienti a garantire un buon sviluppo della colorazione maverili ed estive in cui si registrano livelli di PPFD rossa (Corelli Grappadelli e Coston, 1991). Sulla cv ben più alti di quelli saturanti. Le piante, quindi,sono ‘Redhaven' è stato rilevato che il 17% dell'irradianza esposte ad un'irradianza superiore a quanta può essere totale era sufficiente per avere più del 70% della pig- utilizzata per la carbossilazione durante molti giorni mentazione rossa e che con un'esposizione pari al nell'arco dell'intera stagione (Corelli Grappadelli e 47% della luce totale incidente si raggiungeva lo stes- Lakso, 2007). Un eccesso di energia incidente sulla so livello di colorazione dei frutti controllo completa- pianta potrebbe determinare una più frequente e rile- mente esposti. Inoltre dalla stessa prova è emerso che vante manifestazione del fenomeno della fotoinibizio- un'esposizione del 16-32% della luce incidente totale ne (Osmond e Chow, 1988) che sommandosi ad altri non ha determinato differenze in pezzatura, contenuto stress di diversa natura (idrico, termico, nutrizionale, in solidi solubili e consistenza; mentre un ombreggia- ecc.) e non sempre evitabili, potrebbe avere gravi mento del 60% a 15 giorni dalla raccolta, pur non implicazioni sulla capacità fotosintetica delle piante avendo determinato alcuna differenza per i valori di (Powles, 1984; Galmés et al., 2007).
pezzatura, residuo solido solubile e consistenza della Prove condotte in Israele su piante di tangelo polpa, ha ridotto il sovracolore dei frutti al 56% di (Citrus reticulata Blanco X Citrus sinensis L.) alleva- quello registrato su frutti completamente esposti alla te in vaso a diversi livelli di ombreggiamento hanno luce (Erez e Flore, 1986). Su diverse cultivar di melo evidenziato che una riduzione della radiazione inci- (Malus domestica Borkh.) l'impiego di reti antigran- dente del 30% e 60% tramite reti alluminizzate ha Losciale et al. considerevolmente incrementato la sostanza secca di radici, foglie e fusto rispetto al controllo (tab. 1) Tuttavia essendo piante giovani, per cui prive di frutti, Per stress foto-ossidativo si intende una condizione non è stato possibile valutare l'effetto ombreggiante capace di formare specie reattive (o attive) dell'ossige- sulla produzione (Raveh et al., 2003). Effetti migliora- no (ROS) in dose critica per la pianta, derivante dalla tivi sulle performance fotosintetiche di singole foglie difficoltà di utilizzare tutta l'energia luminosa in entra- e piante intere sono stati osservati in melo (fig. 1) e ta. La costituzione di tali ROS si riscontra nel com- pompelmo (Citrus paradisi L.) riducendo l'eccesso plesso antenna del PSII (LHCII), nel core complex del luminoso tramite l'utilizzo di caolino (sostanza inerte PSII e nel core complex del PSI (Niyogi, 1999). riflettente) spruzzato sulle foglie (Glenn et al., 2001; Nei primi due siti menzionati la sovra-produzione Glenn et al., 2003; Jifon e Syvertsen, 2003).
di ROS è determinata dalla maggiore longevità della clorofilla allo stato eccitato (singoletto eccitato, 1Chl).
Tab. 1 - Effetto dell'ombreggiamento a diversa intensità e In condizioni non stressanti, l'eccitazione di una modalità di realizzazione sull'accumulo di sostanza secca (g) molecola di clorofilla da parte di un fotone determina radicale, fogliare, del fusto e totale di giovani piante di tangelo. T- il trasporto energetico lungo tutto il LHCII fino alla 0= contenuto in sostanza secca nei diversi comparti all'inizio dell'esperimento. Ogni dato rappresenta la media di 6 repliche e clorofilla P680 del core complex del PSII. Quest'ultima nella stessa colonna valori accompagnati da lettere diverse sono si eccita e, attraverso il processo di separazione di differenti per P = 0,05 (Adattato da Raveh et al., 2003).
carica, cede un elettrone all'accettore successivo: la Tab. 1 - Shading effect on leaf, stem and root dry mass on young feofitina. Da questo punto in poi si innesca il trasporto tangor plants. The shading treatment was performed at different intensities and manner. T-0= dry matter content at the beginning elettronico necessario per generare ATP e potere ridu- of the experiment. Data are average of 6 replicates and in the cente per la "fase oscura" della fotosintesi same column, values accompanied by different letters are (Blankenship e Prince, 1985). In condizioni di eccesso statistically different at P = 0.05. (Adapted from Raveh et al., luminoso, ovvero quando il trasporto energetico ed elettronico è più lento rispetto alla pressione fotonica Sostanza secca (g) in entrata, tutte le clorofille, incluso il P680, si trovano nello stato di singoletto eccitato per un tempo più lungo, poiché nessuna molecola è disponibile per accettare altra energia (Foyer e Harbinson, 1994). La clorofilla singoletto, quindi, decade ad un livello ener- getico inferiore, tripletto eccitato (3Chl). In questo stato di eccitazione il pigmento è più stabile e longevo per 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 hanno suggerito che la prima causa di danneggiamento del PSII sia lo stesso P680+, l'agente ossidante più potente nella fotosintesi, capace di ossidare l'acqua. Il P680+, sequestrando elettroni dal suo intorno molecolare for- merebbe radicali liberi provocando la frattura della struttura 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 in quanto nel LHCI la vita della 1Chl è molto breve, mentre nel core complex il P700 è in grado di dissipare termicamente gli eccessi energetici anziché decadere allo stato di tripletto eccitato (Barth et al., 2001).
Fig. 1 - Assimilazione netta misurata su intere chiome di melo cv Tuttavia nel centro di reazione del PSI il rischio di Empire in piena luce (-<-) e trattate con caolino (-•-). Alla stessa ora del giorno i punti contrassegnati con * sono statisticamente formazioni di ROS è determinato dalla capacità della differenti a P=0.05 (Adattato da Glenn et al., 2003).
ferridossina (Fdx) ridotta di cedere elettroni alternati- Fig. 1 - Whole canopy net assimilation measured on apple cv vamente all'NADP+ o all'ossigeno, trasformandolo in Empire treated (-<-) and untreated (-•-) with kaolin. At the same ione superossido (O - time of the day the points targeted with * are statistically different 2 ), secondo la cosiddetta reazione at P=0.05 (Adapted from Glenn et al., 2003). di Meheler (Asada, 1999). Una bassa disponibilità di Energia radiante nelle piante da frutto NADP+ rispetto alla pressione fotonica in entrata determina una sovra-produzione di ione superossido. I danni derivanti dalla formazione di ROS nei fotosistemi sono molteplici e dipendono dal loro sito di formazione. In particolare, nel LHCII si assiste all'ossidazione dei pigmenti antenna e delle proteine tilacoidali (Knox e Dodge, 1985); mentre nel core complex si evidenzia la compromissione del P680 e soprattutto la distruzione delle proteine del centro di reazione, in particolare della proteina D1. Si riscontra, inoltre, l'ossidazione dei lipidi e, infine, la completa inattivazione del centro di reazione (Aro et al., 1993; Barber e Andersson, 1992). Nel PSI l'eccesso di ROS comporta la distruzione dei centri ferro-zolfo, l'inatti- vazione e la degradazione di vari enzimi. I danni a scapito del PSI sono più ricorrenti in condizioni di Fig. 2 - Contenuto relativo della proteina D1 in foglie di Vitis bassa temperatura, quando l'attività enzimatica è berlandieri L. mantenute al buio (bianco), irradiate per 60 minuti ridotta, il trasporto energetico ed elettronico è meno ad una PPFD di 1900 µmol m-2s-1 (nero) e mantenute al buio per 60 minuti dopo il trattamento luminoso fototoinibitorio (grigio).
veloce e l'energia radiante in ingresso, seppur di Ogni bara rappresenta la media di 3 repliche + s.e. (Adattato da bassa intensità, risulta essere eccedente rispetto alle Bertamini e Nedunchezhian, 2004).
capacità di utilizzo della pianta (Kaiser, 1979). Infine, Fig. 2 - D1 relative content in Vitis berlandieri L. leaves maintained in the dark (white bar) after 60 minutes at PPFD of l'interazione tra ferro libero, derivante da proteine 1900 µmol m-2s-1 (dark bar) and maintained in the dark for 60 danneggiate, e ROS determina la formazione di radi- minutes after the light photo-inhibitory treatment (grey bar). Each cali ferro-ossigeno altamente dannosi, aventi come bar represents the average of 3 replicates + s.e. (Adapted from target preferenziale la RuBisCO (Halliwell e Bertamini e Nedunchezhian, 2004). Gutteridge, 1984). La conseguenza diretta di tali dis- sesti è la compromissione dell'intero sistema fotosin- tetico e quindi un decremento dell'attività carbossila- Sistemi di difesa ed adattamento
sica della pianta stessa (Ort, 2001). In Vitis berlandieri Planch., ad esempio, foglie In un ecosistema tutti gli esseri viventi presenti esposte ad una intensità luminosa di circa 1.900 µmol sono quelli che meglio si sono adattati ai fattori abio- fotoni m-2s-1 per 60 minuti hanno mostrato un decre- tici e biotici caratterizzanti proprio quell'ambiente. Se mento della quantità della proteina D1 del 30% rispet- da un lato la luce risulta essere indispensabile per la to a piante controllo. Sottoponendo le foglie ad ulte- vita delle piante, dall'altro questa è un fattore di alto riori 60 minuti di buio si è ottenuta una quasi totale rischio per la loro esistenza. Come esiste il fenomeno riparazione dei fotosistemi (fig. 2). L'efficienza quan- della fotoinibizione, così si è evoluta in tutti gli orga- tica di assimilazione di CO2 è ritornata alle condizioni nismi fotosintetizzanti anche la possibilità di difender- precedenti lo stress, con la spesa, però, di energia e si. I meccanismi preposti a tale scopo seguono diverse CO2 sottratta all'accumulo ponderale di sostanza strategie riassumibili in: prevenzione, protezione e secca (Bertamini e Nedunchezhian, 2004). In Florida altri ricercatori hanno evidenziato che piante di pompelmo trattate con caolino ed alberi con- trollo hanno mostrato una diminuzione della fotosin- Riduzione del flusso fotonico in entrata. In condi- tesi netta all'incrementare dell'irradianza con un zioni di elevata irradianza alcune specie sono in grado decremento considerevolmente più accentuato nelle di orientare le foglie e modificare conformazione e piante testimone non ombreggiate. Tale differenza posizione dei cloroplasti in modo da avere meno non è ascrivibile ad una diversa concentrazione di superficie fotosintetizzante in piena luce evitando così CO2 sottostomatica, pressoché uguale tra le due tesi a una forte pressione fotonica in entrata (Pastenes et al., confronto nelle ore di massima intensità luminosa 2003; Oguchi et al., 2003). Purtroppo non tutte le spe- (fig. 3). Le piante controllo, inoltre, hanno evidenzia- cie sono in grado di mettere in atto tale meccanismo; to un grado di fotoinibizione più elevato di quelle il melo ad esempio evidenzia una scarsa capacità di trattate con caolino nelle ore più calde ed assolate muovere velocemente le foglie per sottrarsi all'alta della giornata (Jifon e Syvertsen, 2003).
densità di flusso energetico (Koller, 1990). Una forma Losciale et al. che prevede lo spostamento sull'LHCI di monomeri di pigmenti antenna del PSII in modo tale da equili- brare la pressione fotonica su entrambi i fotosistemi (Allen, 1995).
Incremento del flusso energetico in uscita. Non potendo evitare gli eccessi luminosi in ingresso, la maggior parte delle piante contrappone all'elevata irradianza un aumento delle aliquote energetiche in uscita. Lo scopo di tale incremento è la diminuzione del potenziale intasamento dei fotosistemi.
Aumentando i flussi in uscita, infatti, la pianta riesce a mantenere gli accettori energetici ed elettronici sem- pre disponibili per ricevere nuova energia evitando una vita troppo lunga della clorofilla singoletto ed una scarsa disponibilità di NADP+. I due meccanismi che entrano in gioco come scolmatori energetici sono la dissipazione termica e la dissipazione fotochimica (Niyogi, 1999).
Dissipazione termica (Non Photochemical Quenching). La dissipazione termica (NPQ) può esse-
re suddivisa in quenching inibitorio (qI), quenching transitorio (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 tale processo (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 a tali complessi (Ort, 2001). Il meccanismo di dissipa- zione termica causa dunque una dispersione energeti- ca che ha lo scopo di ridurre la vita della clorofilla singoletto evitando la formazione di 1O2 (Niyogi, 1999). Con assenza di stress luminoso o comunque con un trasporto energetico ed elettronico equiparabile Fig. 3 - Andamento giornaliero di (a) radiazione fotosinteticamente attiva (PAR) e temperatura dell' aria, (b) alla pressione fotonica in ingresso, il pH del lumen concentrazione intercellulare di CO2 (Ci) e (c) fotosintesi netta tilacoidale è pari a 6,5 - 7 (Foyer e Harbinson, 1994).
(ACO2) misurati su foglie di piante di pompelmo trattate (-Õ-) o In queste condizioni la violaxantina (V), carotenoide meno (-•-) con caolino. Ogni punto rappresenta la media di 4-6 repliche + s.e. Il tratteggio verticale indica il punto di massima appartenente alla famiglia delle xantofille, è legata al irradianza giornaliera (Adattato da Jyfon e Syvertsen, 2003).
sito V1 del LHCII; la proteina PsbS, che funge da col- Fig. 3 - Daily Trends of (a) photosynthetically active radiation legamento tra il centro di reazione del PSII ed il com- (PAR) and air temperature, (b) intercellular CO2 concentration plesso antenna, si trova allo stato deprotonato con una i) and (c) net photosynthesis (ACO2) on grapefruit leaves treated with kaolin (-Õ-) and untreated (-•-). Each point is the average of determinata conformazione spaziale. Nel lumen, inol- 4-6 replicates + s.e. The vertical dashed line labels the maximum tre, la violaxantina de-epossidasi (VDE) è deprotona- irradiance during the day (Adapted from Jyfon e Syvertsen, 2003). ta, staccata dalla membrana tilacoidale (fig. 4a) e quindi in uno stato inattivo (Ort, 2001). In condizioni di stress foto-ossidativo il pH nel lumen diminuisce fotoprotettiva molto più praticata dagli organismi poiché la velocità di formazione di H+ è maggiore di vegetali è la riduzione del pool delle clorofille con la quella di utilizzo (Niyogi et al., 2004). Si assiste, in conseguente diminuzione della quantità di energia primo luogo, alla protonazione della proteina PsbS captata (Anderson, 1986). Non del tutto confermato, che cambia il suo assetto sterico (fig. 4b) ed in questa sembrerebbe invece il cosiddetto "stato di transizione" nuova forma (primo stadio di Non Photochemical Energia radiante nelle piante da frutto Quenching) è capace di dissipare energia sottoforma di calore, sottraendola alla clorofilla singoletto (Morosinotto et al., 2003). L'incremento ulteriore della concentrazione di H+ nel lumen del tilacoide comporta l'attivazione della violaxantina de-epossida- si (VDE) che, protonata, si lega alla membrana. In queste condizioni l'enzima opera due successive de- epossidazioni della violaxantina ad antheraxantina (A) e, successivamente, a zeaxantina (Z). Tale riduzione può avvenire grazie all'apporto elettronico dell'acido ascorbico che viene ossidato a monodeidroascorbato (MDA) attraverso la catalisi da parte della VDE. Le due xantofille neoformate, a questo punto, possono scalzare la violaxantina dal sito V1 e dissipare diretta- mente l'eccesso energetico tramite calore. Tuttavia la maggiore quantità eliminata deriva dalla ri-emissione energetica sottoforma di calore da parte del complesso quencher zeaxantina e o antheraxantina e proteina PsbS (fig. 4c) che, avendo cambiato conformazione, Ciclo delle xantofille
Fig. 4 - (a) In condizioni di pressione fotonica non stressanti il pH Fig. 4 - (a) When the incoming light is not excessive the del lumen tilacoidale è pari a 6,5–7. La violaxantina (V) è legata thylakoidal lumen pH is about 6.5-7. violaxanthin (V) is bound at al sito V1 del LHCII; la proteina a basso peso molecolare PsbS si the V1 site on LHCII and the low molecular weight protein (PsbS) trova allo stato deprotonato con una determinata conformazione is in a de-protonated state with a particular structure. The spaziale. Nel lumen, la violaxantina de-epossidasi (VDE) è violaxanthin de-epoxidase (VDE) is de-protonated and detached deprotonata, staccata dalla membrana tilacoidale. (b) In condizioni from the thylakoidal membrane. (b) The lumen acidification, di stress foto-ossidativo il pH nel lumen diminuisce, la proteina caused by the photon pressure increase, drives the PsbS PsbS viene protonata e cambiando il suo assetto sterico è in grado protonation that changes its structure enabling it to steal energy di dissipare calore. (c) L'incremento ulteriore della concentrazione re-emitting heat. (c) A further trans-thylakoidal ∆pH increase di H+ nel lumen del tilacoide attiva la VDE che, protonata, si lega promotes the protonation of VDE which is bound to the thylakoid alla membrana. L'enzima opera due successive de-epossidazioni membrane. VDE catalyzes two subsequent violaxanthin de- della violaxantina ad anteraxantina (A) e zeaxantina (Z) grazie epoxidation forming antheraxanthin (A) and zeaxanthin (Z) all'apporto elettronico dell'acido ascorbico (AsA). Le due oxidizing the ascorbic acid (AsA). A and Z replace violaxanthin in xantofille scalzano la violaxantina dal sito V1 dissipando the V1 site re-emitting thermal energy. The highest thermal direttamente l'eccesso energetico. La maggior quantità di energia dissipation is accomplished when A and/or Z are connected to the viene dissipata dal complesso quencher zeaxantina e o activated PsbS protein forming a quenching super-complex. anteraxantina e proteina PsbS che si forma in virtù del cambiamento conformazionale della proteina che diviene più affine ad A e Z.
Losciale et al. diviene più affine alle due xantofille (Ort, 2001).
luteina epossido (Lx) la quale, attraverso la VDE, Quando la pressione fotonica diminuisce, Z ed A ven- viene de-epossidata a luteina (L) avente lo stesso gono ri-epossidate a violaxantina attraverso la zeaxan- ruolo della zeaxantina. La particolarità del ciclo Lx L tina epossidasi (ZE), enzima legato alla membrana risiede nella minore affinità della ZE per la luteina, tilacoidale dalla parte stromatica, questo epossida le questo determina la debole reversibilità della reazione due xantofille spendendo equivalenti riducenti. La ZE per cui una protezione di fondo contro gli eccessi è un enzima sempre attivo nelle condizioni stromati- energetici (Matsubara et al., 2004). che, per cui la sua attività non è limitante per il ciclo Il ciclo delle xantofille, oltre ad esplicare la sua delle xantofille che dipende esclusivamente dalla atti- funzione protettiva, evidenzia un attivo dispendio vità di VDE e dalla capacità di PsbS di cambiare energetico in quanto usa equivalenti riducenti per conformazione, quindi, in definitiva, dal ∆pH transti- rigenerare acido ascorbico e violaxantina. Tale perdita lacoidale. (Bouvier et al.,1996). Ogni evento che risulta essere comunque il male necessario che la determina un incremento del ∆pH può contribuire pianta deve sopportare per proteggersi (Foyer e all'innesco della dissipazione termica (Björkman e Harbinson, 1994). Demmig-Adams, 1994; Gilmore, 1997). Il quenching inibitorio (qI) può essere considerato In melo l'aumento della densità di flusso fotonico un meccanismo di protezione passiva in quanto i foto- ha determinato un decremento percentuale del conte- sistemi inattivi riemettono l'energia assorbita sottofor- nuto di violaxantina sull'intero pool delle xantofille ed ma di calore. La quantità di energia dissipata dai PSII un corrispettivo incremento della zeaxantina. Questo danneggiati è direttamente proporzionale alla quota di andamento è risultato simile per le foglie ed i frutti ma PSII inattivi (Chow, 1994; Losciale et al., 2008c).
più marcato in questi ultimi (fig. 5) che, non potendo Alcune ricerche hanno evidenziato che inibendo tem- utilizzare l'energia in ingresso per la fotosintesi, poraneamente la riparazione dei PSII, circa il 10-20% hanno maggiore necessità di liberarsene tramite dissi- dei fotosistemi rimane attivo pur incrementando dura- pazione termica (Cheng e Ma, 2004). ta ed intensità del flusso fotonico incidente (fig. 6). I In alcune piante tropicali un ulteriore contributo al PSII inattivi schermerebbero i sistemi funzionanti dal- qE è dato dalla presenza di altri pigmenti come la 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 che presiedono alla riparazione dei fotosistemi (Chow et al., 2005). La terza e ultima porzione del Non Photochemical Quenching è il qT, questa componente è di minore importanza nella fotoprotezione delle piante superiori e 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 elettronici alternativi 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 un supplemento protonico nel lumen dei tilacoidi necessario per il funzionamento della pompa ATPasi che genera ATP utilizzata nel ciclo di Calvin-Benson. La ferridossina ridotta, non poten- do cedere elettroni al NADP+ poiché indisponibile, Fig. 5 - Andamento giornaliero del contenuto percentuale, rispetto li indirizza in un ciclo che si chiude con la cessio- all'intero pool delle xantofille, di violaxantina (V) e zeaxantina ne degli elettroni nuovamente al P (Z) in frutti e foglie di melo cv Liberty. Ogni punto rappresenta la 700 sul PSI (fig.
media di 4 repliche + s.e (Adattato da Cheng e Ma, 2004).
7). Durante tale processo si ha la migrazione di 2 Fig. 5 - Daily pattern of the relative content of violaxanthin (V) H+ dallo stroma al lumen per ogni elettrone trasfe- and zeaxanthin (Z) on the entire xantophylls pool measured on rito aumentando, così, la forza protonmotrice apple leaves and fruits. Each point represents the average of 4 replicatez + s.e. (Adapted by Cheng and Ma, 2004). (Joliot e Joliot, 2002). In condizioni di eccesso Energia radiante nelle piante da frutto Trasporto ciclico sul PSI
Fig. 7 - La ferridossina ridotta (Fdx), non potendo cedere elettroni al NADP+ poiché indisponibile, si ossida trasferendo gli elettroni al Plastochinone (PQ) attraverso una riduzione transitoria del citocromo b6f (Cytb6f). Con una sua successiva ossidazione il Plastochinone cede gli elettroni alla Plastocianina (PC) che reagirà nuovamente con il P700 chiudendo il ciclo. Durante tale processo si ha la migrazione di 2H+ dallo stroma al lumen per ogni elettrone Cyclic transport around the PSI
Fig. 7 - When NADP+ is not available to receive more electrons the ferredoxin (Fdx) reduces the plastoquinone (PQ) with a transitory reduction of cytochrome b Fig. 6 - Decadimento della quantità relativa dei PSII funzionali in 6f (Cytb6f). Furthermore PC reduces the plastocyanin (PC) and finally the electrons are funzione della photon exposure (prodotto tra densità di flusso transferred again to the P fotonico e tempo di esposizione luminosa) misurato su dischetti 700 closing the cycle. During the process 2H+ for each electron migrate from the stroma to the thylacoid fogliari di peperone (Capsicum annuum L.) infiltrate con una soluzione 1 mM di lincomicina. Tale sostanza inibisce la riparazione dei PSII che maschererebbe il reale danno. Il trattamento luminoso è stato effettuato a 3 diverse densità di di NADP+, la ferridossina ridotta, oltre ad immet- flusso (460, 900 e 1800 µmol m-2s-1) per differenti tempi di tere elettroni nel trasporto ciclico sul PSI, può pre- esposizione (Chow et al., 2005).
Fig. 6 - The decrease in the functional fraction of PS II with ferenzialmente cederli all'ossigeno formando lo increase in photon exposure (light intensity x time of exposure ione superossido (O -) secondo la reazione di given to capsicum (Capsicum annuum L.) leaf discs floating on Meheler. Essendo questa una specie tossica, la 1mM of lincomycin solution able to inhibit the PSII recovery. Light treatment was given at three irradiances, 460, 900 and 1800 pianta, attraverso la fase perossidasica del ciclo, la µmol m-2s-1 for various durations to vary the photon exposure rende innocua trasformandola in una specie inatti- (Chow et al., 2005). va: l'acqua (fig. 8). Il W-W cycle, oltre a permette- re il trasporto alternativo degli elettroni dall'acqua all'acqua, prevede la sottrazione di protoni dallo luminoso si ha un deficit di NADP+ disponibile ad stroma incrementando, così, il ∆pH transtilacoidale accettare elettroni dalla ferridossina, per cui il tra- necessario per la dissipazione termica (Asada, sporto ciclico viene potenziato al fine di evitare la cessione elettronica all'ossigeno. Si determina, • Fotorespirazione. È ormai unanimemente accettato
così, una via alternativa per gli elettroni e, soprat- che il processo fotorespiratorio non è un ciclo tutto, un abbassamento del pH nel lumen che inne- parassita per la pianta, bensì un trasporto protetti- sca più velocemente il ciclo delle xantofille (Heber vo. Se si pensa che per fotorespirare una mole di e Walker, 1992; Munekage et al., 2002).
ossigeno e decarbossilare 0,5 moli di anidride car- • Water-Water cycle (W-W cycle). Ciclo così chia- bonica si spendono 4 elettroni, risulta essere chiaro mato poiché alla ossidazione dell'acqua in corri- che un'altra alternativa per scolmare gli eccessi spondenza del cluster che evolve ossigeno (OEC) energetici sia la fotorespirazione posta a valle del a monte, corrisponde la formazione di acqua a trasporto elettronico. Il prezzo necessario da paga- valle del PSI; il ciclo acqua-acqua è detto anche re, tuttavia, è la perdita di CO2 carbossilata reazione Meheler-perossidasi in quanto fonde i due (Farquhar et al., 1980). Il meccanismo di fotorespi- processi. Si stima, inoltre, esso riesca ad utilizzare razione sembrerebbe assumere una maggiore circa il 30% del flusso lineare degli elettroni importanza in condizioni di conduttanza stomatica (Asada, 1999). In condizioni di scarsa disponibilità sub-ottimali, in quanto la fotosintesi, ulteriore Losciale et al. Fig. 8 - La Ferridossina ridotta (Fdx) può cedere gli elettroni preferenzialmente all'ossigeno formando lo ione superossido (O -2) secondo la reazione di Meheler (a). Una superossido dismutasi (SOD), posta sulla parte stromatica della membrana, dismuta O -2 in H2O2 sottraendo due 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).
Fig. 8 - Ferredoxin(Fdx) can reduce oxygen forming the super-oxide ion (O -2) 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 . meccanismo di dissipazione energetica, risulta ascorbico risulta essere un ciclo scavenger, poiché essere in parte inibita (Galmés et al., 2007).
detossifica lo ione superossido (O -2), un generatore di Scavenging. Il fotodanno è un rischio così ricor- ∆pH transtilacoidale, in quanto sottrae H+ dallo stro- rente da costringere la pianta ad adattarsi attraverso ma, ed un ulteriore trasportatore alternativo di elettro- vari sistemi che, come un filtro, cercano di recuperare ni, visto che gli elettroni in gioco sono forniti dal le reciproche mancanze (fig. 9). Se l'espulsione ener- NADPH(H+) reso disponibile per una nuova riduzio- getica prima dell'ingresso nel core complex del PSII ne. Il glutatione inoltre, è scavenger diretto di 1O2, (qE) si dimostra parzialmente efficace, la pianta sop- OH. e protegge i gruppi tiolici degli enzimi dello stro-
perisce attraverso i trasporti elettronici alternativi che ma (Noctor e Foyer, 1998). I tocoferoli, coinvolti evitano la formazione di specie reattive dell'ossigeno.
Purtroppo non tutti gli elettroni sono intercettati per cui 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 di detossificare tali agenti ossidanti (Asada, 1994). Il primo scavenger, per abbondanza e molteplicità di funzioni, è l'acido ascorbico (AsA), presente in gran quantità all'interno dei cloroplasti, sede dei maggiori dissesti 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 di 2, O2 e OH. (Smirnoff, 1996). La ricostituzione
dell'AsA risulta essere, perciò, fondamentale viste le sue numerose attività. Accanto alla sua diretta ridu- Fig. 9 - Rappresentazione delle diverse vie di foto-ossidazione, zione da MDA ad AsA da parte della ferridossina foto-protezione ed utilizzo della energia radiante assorbita dalle ridotta, la pianta ha evoluto un ciclo appropriato per la rigenerazione dell'AsA. Il ciclo glutatione-ascorba- Fig. 9 - The picture depicts the several pathways of photo- to, oltre a svolgere il ruolo di ricostitutore dell'acido damage, photo-protection and utilization of the absorbed radiative energy. Energia radiante nelle piante da frutto direttamente nella inattivazione di 1O 2, O2 , OH.,
µmol PSII mol-1fotoni, ma a causa dell'alto numero di risultano essere liposolubili, per cui riescono a pene- fotoni incidenti nell'arco di un'intera giornata assolata trare nelle membrane proteggendole dalla perossida- e al basso numero di fotosistemi ( 1 µmol PSII m-2), zione (Foyer et al., 1994). Le ultime specie scavenger il fenomeno della foto-inattivazione coinvolge la mag- prese in considerazione sono i carotenoidi. Nel LHCII gior parte dei PSII (Chow e Aro, 2005).
si riscontra la presenza di xantofille, tra l'altro sca- Il processo di riparazione è molto specifico, solo la venger dirette della 3Chl e del 1O2 , e di bcarotene, parte compromessa è ricostituita mentre il resto delle scavenger di 1O2 (Külbrandt et al., 1994), mentre nel sub-unità nel complesso viene riciclato, e consta di core complex del PSII non si evidenzia la presenza di diversi aspetti chiave (Komenda e Barber, 1995): xantofille, molto affini al LHCII presumibilmente per • alterazione del trasporto degli elettroni dovuta al la maggiore presenza di clorofilla b, ma solo di bcaro- tene (Telfer et al., 1994).
• individuazione di un cambiamento conformaziona- le che segnala la necessità di eliminare la parte La complessa macchina foto-protettiva riesce a • monomerizzazione del PSII e parziale disassem- ridurre la fotoinibizione, tuttavia il foto-danno non blaggio degli stessi monomeri al fine di permettere può essere evitato. A tal proposito gli studi effettuati l'accesso alla subunità danneggiata; dimostrano una particolare predilezione al danneggia- • degradazione e neosintesi della nuova proteina D1; mento della proteina D1 del PSII (Aro et al., 1993).
La motivazione risiede, innanzitutto, nella posizione Le stesse molecole compromesse sembrano rivesti- strategica della proteina all'interno del PSII. La D1, re il ruolo di messaggeri per l'attivazione del gene infatti, si trova tra il complesso che evolve ossigeno psbA deputato alla neosintesi della proteina D1 (OEC) ed il LHCII, in una zona, cioè, ricca di 3Chl ed (Lindhal et al., 2000), mentre la degradazione delle ossigeno: miscela perfetta per la formazione di ROS.
parti danneggiate è affidata alle proteasi FtSH (fig.
La distruzione mirata, però, è utilizzata per evitare il 10a). Queste ultime sono legate alla membrana tila- danneggiamento diffuso dovuto alla presenza di coidale formando un anello esamerico transmembra- molecole di clorofilla incontrollate che, eccitate, pos- na. La D1 danneggiata è guidata attraverso questo sono distruggere il loro intorno molecolare (Krieger- canale con un processo ATP dipendente e, successiva- Liszkay, 2005); inoltre la pianta ha sviluppato un mente, degradata nella parte stromatica tramite la sistema efficace, efficiente ed altamente conservato catalisi da parte del gruppo prostetico contenente per la rapida rimozione e ricostituzione della proteina zinco della FtSH (fig. 10b). D1 (Chow e Aro, 2005). Piante poste in condizioni La pianta, quindi, spende energia non solo per la ottimali difficilmente mostrano una riduzione netta neosintesi di D1 ma anche per la sua rapida degrada- dell'attività dei PSII, non tanto per l'assenza di fotoi- zione allo scopo di riparare i danni il più velocemente nibizione ma per l'efficienza del sistema di riparazio- ne che può essere considerato una delle principali strategie fotoprotettive (Anderson et al., 1997). L'inattivazione dei PSII non è strettamente legata all'alta irradianza bensì alla dose di luce intercettata (photon exposure), ossia il prodotto tra densità di flusso e tempo di esposizione. Inibendo la riparazione della D1 è stato possibile valutare il foto-danno reale altrimenti mascherato (Aro et al., 1994). La quantità di PSII attivi si riduce con l'aumento della photon exposure, seguendo una funzione esponenziale nega- tiva, secondo la legge della reciprocità (Jones e Kok, 1966; Park et al., 1995; Lee et al., 1999) che afferma Fig. 10 - Struttura monometrica (a) ed esamerica (b) della che si può rilevare lo stesso fotodanno diminuendo proteina FtsH delegata alla digestione della proteina D1 l'intensità luminosa ed aumentando il tempo di espo- danneggiata. La proteina passa attraverso l'anello esamerico per essere degradata nello stroma con il dispendio di energia (Nixon sizione e viceversa (Chow et al., 2005). Esperimenti et al., 2005).
condotti allo scopo di valutare il tasso di inattivazione Fig. 10 - FtsH protease monomeric (a) and esameric structure dei PSII per mole di fotoni incidenti hanno rivelato (b). The damaged protein transits across the trans-membrane ring to be degraded in stroma by the FtsH prosthetic group with che esso è relativamente basso, dell'ordine di 0,1 energy expense (Nixon et al., 2005). Losciale et al. possibile (Nixon et al., 2005). La strategia di rimozio- vantaggioso dell'emissione di fluorescenza che, a ne e riparazione dei danni, di vitale importanza per le parità di energia dissipata, si realizza in circa 10-8 - specie vegetali, ha indubbiamente dei costi che ricado- 10-9s. Il dato di fluorescenza misurato, Fo, rappresenta no sull'efficienza di carbossilazione netta del sistema la fluorescenza minima con foglia adattata al buio ed fotosintetico. Studi condotti sulla specie di alga il suo significato fisiologico consiste nel livello di Anacystis nidulans 625 (Synechococcus 6301) hanno fluorescenza emesso dalla clorofilla quando QA è prospettato l'ipotesi che le cellule in condizioni di massimamente ossidato ed i centri di reazione del stress da fotoinibizione, per mantenere la massima PSII sono completamente "aperti". A questo punto, capacità fotosintetizzante, debbano indirizzare più viene somministrato un impulso saturante, ovvero un energia alla riparazione dei fotosistemi piuttosto che flash di luce di durata inferiore al secondo con una ad altri processi metabolici (Raven e Samuelsson, densità 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 rispetto Fotodanno e fotoprotezione: metodologie di misura
alla capacità di cessione del QA agli accettori succes- sivi, per cui il chinone si trova in uno stato sovra- Accanto alle metodologie biochimiche utilizzate ridotto, non disponibile ad accettare altri elettroni. Il per il dosaggio dell'attività enzimatica e la determina- trasporto fotochimico è bloccato, per cui le uniche due zione della concentrazione delle principali molecole vie per la dissipazione energetica sono il calore e la implicate nei meccanismi fotoprotettivi e foto-ossida- fluorescenza. Si registra infatti una emissione di fluo- tivi, la tecnica senza dubbio più utilizzata, anche per- rescenza, Fm, più elevata di Fo. Fm è la fluorescenza ché applicabile in vivo, è la misura della fluorescenza massima con foglia adattata al buio e rappresenta il della clorofilla con luce modulata (Govindjee, 1995; livello di energia emesso dalla clorofilla quando QA è Krause e Weis, 1991; Maxwell e Johnson, 2000).
completamente ridotto ed i centri di reazione sono Inducendo la clorofilla ad emettere energia tramite "chiusi". La differenza tra Fm e Fo, standardizzata per fluorescenza ed avendo a disposizione una strumenta- Fm [(Fm-Fo)/Fm) = Fv/Fm], rappresenta la massima zione in grado di leggere tale emissione, è possibile efficienza fotochimica del fotosistema, cioè la massi- discriminare le varie destinazioni dell'energia radiante ma quantità di energia che la clorofilla è in grado di captata. Il fluorimetro è costituito, essenzialmente da captare e che potenzialmente potrebbe essere usata una sorgente luminosa modulabile, un detector in per la fotosintesi. Per foglie in condizioni ottimali grado di misurare l'energia riemessa dalla clorofilla Fv/Fm è di circa 0,8 - 0,85; valori più bassi indicano la sottoforma di fluorescenza ed un camera di assimila- presenza di danni all'interno del PSII o, comunque, un zione fogliare connessa alla fonte di luce ed al detec- non completo rilassamento del sistema durante la tor tramite fibra ottica in modo da trasmettere l'impul- notte (Baker e Rosenqvist, 2004; Maxwell e Johnson, so luminoso modulato alla foglia e la fluorescenza 2000). La diminuzione di Fv/Fm può dipendere da un emessa al detector.
abbassamento di Fm o da un incremento di Fo. Il I protocolli utilizzati per misurare i diversi parame- primo caso può essere interpretato come l'incapacità tri di fluorescenza possono essere molteplici; usual- del PSII di captare la stessa quantità di energia radian- mente, la prima misura viene effettuata su foglie adat- te, probabilmente a causa della rottura della proteina tate al buio o in prossimità dell'alba (pre-dawn) quan- D1 (Govindjee, 1995; Maxwell e Johnson, 2000).
do i rilievi sono eseguiti in pieno campo. In questo L'aumento di Fo è determinato da una bassa capacità momento il sistema fotosintetico è in uno stato di del QA di cedere elettroni al secondo accettore QB, "rilassamento" ovvero tutti i componenti dei fotosiste- non adducibile ad un eccesso di luce visto che la den- mi sono riparati ed il chinone A (Q sità di flusso somministrata è minima. L'incremento A) è in condizione di massima ossidazione poiché nessun elettrone giun- è, probabilmente, derivato dal distacco di una porzio- ge dalle clorofille a monte. Viene fornito alla foglia un ne del PSII. Alcuni autori riconducono questo feno- impulso a bassa intensità (0,1-0,5 µmol fotoni m-2 s-1).
meno ad un meccanismo di protezione ulteriore che In queste condizioni i pochi fotoni eccitano le clorofil- evita il raggiungimento del surplus energetico al core le del LHCII e l'energia è trasportata fino al P complex del PSII; altri ricercatori attribuiscono questo quale subisce una separazione di carica e cede un elet- incremento ad un effettivo danno che determina il trone alla feofitina che, a sua volta, riduce il Q distacco delle due parti del PSII. Tale dissesto, o sto, essendo completamente ossidato, è disponibile ad comunque tale evento, risulta essere più ricorrente in accettare elettroni. Il trasporto elettronico avviene in condizioni di alta temperatura (Yamane et al., 2000). 10-12s e quindi risulta essere termodinamicamente più Dopo aver effettuato le misure di massima effi- Energia radiante nelle piante da frutto cienza fotochimica al buio viene fornita luce attinica alimentare trasporti alternativi come il ciclo glutatio- tramite fibra ottica o direttamente utilizzando la luce ne-ascorbato (Demmig-Adams et al., 1996). ψPSII solare. Lo strumento registra un primo picco di fluo- [(Fm'-Fs)/Fm'], infine, è l'effettiva quantità di energia rescenza: il sistema fotosintetico si trova nel cosiddet- che attraversa il centro di reazione del PSII, destinata to stato di "fotoattivazione". In questo momento, alla RuBisCO, per la fotosintesi e la fotorespirazione, infatti, si ha un movimento di energia che determina ed ai trasporti alternativi in uscita dai fotosistemi (fig.
l'eccitazione del P680 e la cessione di una carica nega- 11a) quali il Water-Water cycle, trasporto ciclico sul tiva alla feofitina. Il cluster per l'evoluzione dell'ossi- PSI e ciclo glutatione-ascorbato (Baker e Rosenqvist, geno (OEC) però è ancora staccato dal PSII, per cui 2004; Genty et al., 1989; Govindjee, 1995; Maxwell e gli elettroni persi dal P680 non possono essere rim- Johnson, 2000). Conoscendo il valore di ψPSII è inol- piazzati. La molecola rimane in uno stato eccitato e tre possibile determinare la velocità di trasporto elet- dissipa energia tramite fluorescenza. Appena il clu- tronico in uscita dal PSII (ETR). In particolare ETR ster si lega la fluorescenza diminuisce, sintomo di un risulta essere uguale a ψPSII x PPFDx x 0,5, dove trasporto energetico lungo i fotosistemi, termodinami- PPFD è la densità di flusso fotonico incidente, è l'as- camente più vantaggioso della fluorescenza.
sorbanza della foglia (circa 0,84 - 0,86, Krall e L'emissione misurata in questo momento è detta Fs, Edwards, 1992; Schultz, 1996) e 0,5 tiene conto del energia restituita dal PSII in una condizione di adatta- fatto che vengono utilizzati due fotoni (uno per ogni mento alla luce. Quando Fs raggiunge valori costanti foto sistema) per muovere un elettrone (Genty et al., viene somministrato un altro impulso saturante che permette l'ottenimento di Fm': fluorescenza massima Le misure di fluorescenza modulata permettono, con foglia adattata alla luce. Anche in questo caso altresì, la possibile scomposizione del NPQ nelle sue l'impulso saturante ha determinato una sovra-riduzio- due componenti principali: quenching da ciclo delle ne del QA per cui l'energia non può più essere dissi- xantofille e da fotosistema distrutto. Alcuni ricercatori pata fotochimicamente ma tramite fluorescenza e hanno dimostrato che mettendo la foglia al buio dopo calore. Fm' è, di norma, più basso di Fm e ciò vuol dire il secondo impulso saturante (Fm') si ha una veloce che una parte di energia non emessa come fluorescen- riconversione della antheraxantina e/o zeaxantina in za viene persa tramite la via termodinamicamente più violaxantina con la conseguente riduzione della dissi- vantaggiosa: il calore. La differenza tra Fm e Fm', pazione termica, mentre la riparazione dei fotosistemi standardizzata per Fm' [(Fm-Fm')/Fm'] è chiamata NPQ risulta avere dei tempi più lunghi (Baker e e rappresenta la quota parte della massima energia Rosenqvist, 2004; Maxwell e Johnson, 2000; Müller captata dalla clorofilla (Fv/Fm) dissipata tramite calore et al., 2001). Dopo aver determinato NPQ totale la attraverso il ciclo protettivo delle xantofille, e dai foglia viene posta al buio in modo che la VDE venga PSII danneggiati che sono anch'essi in grado di cede- inattivata ed il qE si riduca. Ad intervalli di tempo re calore. NPQ, quindi, è composto essenzialmente da regolari vengono lanciati impulsi saturanti determi- un fattore derivante da un meccanismo protettivo ed nando il valore di Fv/Fm; man mano che il sistema uno determinato dalla vera e propria distruzione dei fotosintetico si adatta al buio aumenta la sua efficien- complessi fotosintetici. Infine viene spenta la luce za massima fotochimica e diminuisce NPQ. La media attinica fornendo luce nel rosso lontano (30 µmol dei valori di NPQ registrati nei primi 5-6 minuti (qE) fotoni m-2 s-1 a 720-730 nm per 4 secondi), consenten- rappresenta la quantità di energia dissipata dal ciclo do l'attivazione preferenziale del PSI ed il completo delle xantofille ed è la parte preminente del NPQ tota- rilassamento del PSII. La fluorescenza misurata in le. NPQ rilevato dopo 40-60 minuti (qI) indica, inve- presenza di luce nel rosso lontano (Fo') è la fluore- ce, l'energia persa tramite calore a causa della non scenza minima con foglia adattata alla luce. Questo repentina riparazione dei centri fotosintetici (fig. 11b); termine non sempre è uguale a Fo pur conservando lo questa componente, in natura, risulta essere molto stesso significato fisiologico. Il rapporto (Fm'-Fo')/Fm', bassa in quanto i fotosistemi vengono continuamente massima efficienza fotochimica del PSII con foglia riparati (Chow e Aro, 2005).
adattata alla luce, rappresenta la quantità di energia L'analisi della fluorescenza secondo i parametri che resta nel core complex del PSII e che potenzial- analizzati consente di ottenere informazioni qualitati- mente potrebbe essere usata per la fotosintesi. La dif- ve circa lo stato dei sistemi fotosintetici, tuttavia risul- ferenza Fs-Fo', standardizzata per Fm' [(Fs-Fo')/Fm'] ta essere difficile valutare la quantità relativa di ener- indica la quantità di energia che entra nel core com- gia impiegata in ogni meccanismo dissipativo o foto- plex del PSII ma non lo attraversa e quindi potrebbe inibitorio. Diversi approcci per la ripartizione energe- essere utilizzata per formare ossigeno singoletto o per tica (quenching partitioning) sono stati proposti Losciale et al. 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 uno stato 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 Clorofilla dissipata tramite calore attraverso il ciclo protettivo delle xantofille e dai PSII danneggiati. Fornendo solo luce nel rosso lontano viene misurato 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 energia che 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. La differenza 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 meaning
Fig. 11 - (a) A low intensity light pulse (MB) is supplied to the leaf, the measured fluorescence (Fo) represents the minimum chlorophyll fluorescence 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 the maximum 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 energy trapped 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. The fluorescence 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 core complex. 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 exiting from it. (Adapted from Maxwell and Johnson, 2000). (b) Xanthophyll cycle inactivation after leaf dark adaptation. The difference between the maximum quantum yield of not photoinhibited samples (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; Casi e cause di foto-ossidazione e fotoprotezione
Kramer et al., 2004; Kornyeyev e Hendrickson, 2007); inoltre, associando l'analisi della ripartizione Lo stress foto-ossidativo è determinato, essenzial- energetica a misure di scambio gassoso è stato possi- mente, da una insufficiente velocità di utilizzo di tutta bile valutare la quantità di energia assoluta e relativa l'energia in ingresso dovuta ad un eccesso luminoso utilizzata nella fotoinibizione, dissipazione termica e/o ad una debole capacità di trasporto fotonico ed protettiva, trasporti elettronici alternativi, fotorespira- zione ed effettiva fotosintesi (Losciale et al., 2008a; Stress idrico e salino possono innescare fenomeni Losciale et al., 2008d).
di fotoinibizione e/o fotoprotezione, poiché la pianta risponde con la chiusura degli stomi evitando ulteriori perdite di acqua ma limitando l'ingresso di CO2. Si viene così a determinare una riduzione dell'attività Energia radiante nelle piante da frutto 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 stress idrico, è stata riscontrata una conseguente riduzione della conduttanza stomatica e quindi un decremento della fotosintesi netta, dovuta al minor ingresso di anidride carbonica. Al diminuire della conduttanza stomatica da 0,5 mol H2O m-2 s-1 fino a valori critici di 0,1 mol H2O m-2 s-1, i parametri ETR e NPQ non hanno mostrato variazioni significative, suggerendo che in condizioni di stress idrico le piante in prova non hanno evidenziato un trasferimento energetico dalla dissipazione fotochimica a quella termica (figg.
12a-b). L'energia dedicata al trasporto elettronico è rimasta la medesima, tuttavia una quantità più bassa è stata destinata alla fotosintesi, (fig. 12c) ed una mag- giore aliquota è stata allocata ai diversi trasporti alter- nativi quali Water-Water cycle, trasporto ciclico sul PSI, 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 alla disorganizzazione dei centri di reazione (Havaux, 1993). In Florida, piante di pompelmo trattate con caolino, allo scopo di ridurre l'energia in ingresso nei fotosistemi, hanno evidenziato temperature fogliari più basse rispetto al controllo, soprattutto nelle ore di massima irradianza (fig. 13a). Attraverso misure di fluorescenza effettuate ogni ora adattando preventiva- mente le foglie al buio per 30 minuti, si è potuto evi- denziare che all'aumentare della temperatura fogliare la massima efficienza quantica del PSII (Fv/Fm) è diminuita e la percentuale di fotosistemi inibiti è aumentata in entrambe le tesi, con valori più accen- tuati nella tesi di controllo (figg. 13b-c). In questo caso il calo di Fv/Fm è stato determinato da un aumen- to di Fo (fig. 13d), segno di una mancata ossidazione del QA a causa di un distacco fisico dei componenti del PSII (Jifon e Syvertsen, 2003). Come già anticipa- Fig. 12 - Andamento di (a) velocità di trasporto elettronico (ETR), to, questo comportamento, le cui cause sono ancora (b) Non Photochemical Quenching (NPQ), (c) fotosintesi netta molto dibattute nel mondo scientifico, può essere N) in piante di Vitis vinifera L. a diversi regimi irrigui ed aventi differenti conduttanze stomatiche. Ogni punto rappresenta la attribuito ad un meccanismo protettivo ma più verosi- media di 6 repliche (Adattato da Flexas et al., 2002).
milmente al fotodanno del PSII.
Fig. 12 - Trends of the(a) electronic transport rate (ETR), (b) Non Le carenze nutrizionali potrebbero essere la causa Photochemical Quenching (NPQ), (c) net photosynthesis (AN) measured on grapevine leaves with decreasing stomatal di un eventuale rallentamento del trasporto elettroni- conductance. Each point represents the average of 6 replicates co, determinando la costipazione dei centri fotosinte- (Adapted from Flexas et al., 2002). tici. L'azoto, ad esempio, è parte integrante delle clo- rofille e soprattutto della RuBisCO; un suo deficit Losciale et al. concentrazioni di azoto, sottoposte a luce saturante di 1.550 µmol fotoni m-2 s-1, non hanno evidenziato dif- ferenze per quanto riguarda il valore di Fv/Fm, sempre superiore a 0,8. In carenza di azoto, quindi, un eccesso relativo di luce non ha determinato, nel breve periodo, un fotodanno irreversibile del sistema. Per quanto riguarda i parametri ψPSII e NPQ, la riduzione di azoto nelle foglie ha causato la deviazione dell'ener- gia radiante captata dal trasporto fotochimico verso la dissipazione termica (fig. 14), evitando danni al siste- ma fotosintetico (Cheng et al., 2000). Anche il ferro assume una funzione rilevante, infatti è implicato nella sintesi della clorofilla e rientra come gruppo pro- stetico in molti trasportatori elettronici del sistema fotosintetico; una sua carenza rende più difficoltosa la corretta dissipazione energetica (Miller et al., 1995).
Piante di Vitis labrusca Bailey, aventi differenti con- centrazioni di ferro attivo nelle foglie, non hanno mostrato alcuna variazione di Fv/Fm, sempre intorno ai valori ottimali, dimostrando che nel breve periodo la carenza 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 riscontrato un decremento di ψPSII con valori proporzionali alla concentrazione di ferro nelle foglie, mentre NPQ e Fv'/Fm' sono rimasti costanti. Solo alla concentrazione più bassa si è registrato un rapido incremento di NPQ ed un corrispondente calo di Fv'/Fm' (fig. 15). La quota parte di energia dedicabile in parte alla RuBisCO (ψPSII) è diminuita, mentre quella allocata per la dis- sipazione fotochimica (Fv'/Fm') e termica sono rimaste costanti, sintomo della maggior attivazione dei tra- sporti alternativi anziché del dirottamento di energia al NPQ. La determinazione dell'attività enzimatica e della concentrazione delle molecole implicate nel ciclo glutatione-ascorbato e nello scavenging generale ha confermato ciò che si era evidenziato con le misure di fluorescenza, ossia un andamento inversamente proporzionale alla quantità di ferro attivo nelle foglie Fig. 13 - Andamento giornaliero di (a) differenza tra temperatura fogliare e dell'aria, (b) efficienza fotochimica massima (F (figg. 16-17). Solo quando le condizioni di ferro- (c) percentuale di fotoinibizione e (d) fluorescenza minima di carenza sono divenute massicciamente critiche, le foglie adattate al buio (Fo) in piante di pompelmo trattate o meno piante hanno destinato il surplus energetico verso il con caolino. Ogni punto rappresenta la media di 4-10 repliche + Non Photochemical Quenching (Smith e Cheng, s.e. (Jifon e Syvertsen, 2003).
Fig. 13 - Daily pattern of (a) leaf to air temperature difference), (b) maximum quantum yield (F Condizioni fisiologiche particolari quali ambiente v/Fm), (c) photo-inhibition percentage and (d) minimal fluorescence of darkadapted leaves di crescita, carico produttivo o tipologia di portainne- (Fo) measured on grapefruit plants sprayed with kaolin and untreated. Each point is the average of 4-10 replicates + s.e. sto, possono determinare diversi tassi di utilizzo del- (Jifon e Syvertsen, 2003). l'energia radiante in ingresso con conseguenti riper- cussioni sulla fotoinibizione e/o sui meccanismi foto- riduce l'attività totale della RuBisCO e quindi la velo- protettivi. Prove condotte su actinidia cv Hayward cità dei processi di carbossilazione e fotorespirazione hanno evidenziato una diminuzione dell'efficienza di con una conseguente congestione del sistema (Evans, trasporto elettronico in uscita dal PSII (ψPSII) ed un 1996). Piante di melo cv Fuji aventi foglie con diverse corrispettivo incremento di NPQ all'aumentare del Energia radiante nelle piante da frutto Fig. 14 - Variazione dei principali parametri di fluorescenza in funzione delle diverse concentrazioni di azoto in foglie di melo cv Fuji sottoposte 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 light adaptation 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 ad Abbassando il numero dei frutti il tasso di carbossila- irradianza elevata (circa 1.100 µmol fotoni m-2 s-1) zione netta tende a diminuire, secondo la teoria dell'i- hanno mostrato un ψPSII più alto di altre allevate nibizione da prodotto finale. Dovendo eliminare l'e- all'ombra (250 µmol fotoni m-2 s-1), sintomo di un nergia in eccesso non più utilizzata per la fotosintesi maggior adattamento e capacità di utilizzo dell'ener- tutti i meccanismi di protezione e fotoinibizione ven- gia luminosa. Di contro NPQ è risultato più elevato gono enfatizzati. In pesco cv ‘Stark Red Gold', la nelle piante d'ombra (fig. 18), poco adattate alla luce, rimozione dei frutti ha determinato la riduzione della ed indotte a proteggersi maggiormente attraverso la fotosintesi netta ed un sensibile incremento del danno dissipazione termica (Greer e Halligan, 2001).
foto-ossidativo. Tale risposta è stata osservata quando Anche diverse intensità di carico produttivo la riparazione della proteina D1 è stata bloccata in potrebbero determinare effetti sull'utilizzo dell'ener- modo tale che la neo-sintesi della proteina non gia radiante in ingresso. I frutti risultano essere il prin- mascherasse il reale danno ed il processo di riparazio- cipale sink dei prodotti della carbossilazione.
ne non de-costipasse il sistema usando i prodotti della Losciale et al. Fig. 15 - Andamento dei principali parametri di fluorescenza in funzione delle diverse concentrazioni di ferro attivo in foglie di Vitis labrusca Bailey sottoposte ad irradianza di circa 1800 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). 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 leaves at 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 point is the average of 5 replicates + s.e. (Smith e Cheng, 2005). fotosintesi (Losciale et al., 2008b). Risultati analoghi al pomeriggio le piante innestate su Cotogno C hanno sono stati ottenuti in pesco cv Yanfengyihao quando mostrato un grado di fotoinibizione più elevato dei rami di branchette cariche e scariche sono stati anulati peri franchi di piede (Losciale et al., 2008d).
per evitare la migrazione dei fotosintati verso altri reparti. Le foglie delle branchette scariche hanno evi- denziato un aumento della fotoinibizione e la riduzio- ne della fotosintesi netta (Li et al., 2007).
I casi studio riportati avvalorano maggiormente la In pero (Pyrus communis L.) l'uso del Cotogno C notevole importanza dei processi biochimici e fisiolo- come portinnesto conferisce un habitus nanizzante a gici che sottendono alla fotoinibizione e fotoprotezio- diverse cultivar. Tale comportamento potrebbe essere ne. La pianta, paradossalmente, si difende dall'ecces- determinato principalmente da una ridotta conducibi- so luminoso relativo alle sue capacità dissipatorie lità idraulica riscontrata al punto di innesto (Corelli spendendo energia. Al mancato utilizzo della radiazio- Grappadelli et al., 2001). Piante della cultivar Kaiser ne solare, infatti si associa l'effettiva perdita di ener- franche di piede hanno mostrato conduttanza stomati- gia e di sostanza secca dovuta alla distruzione e rico- ca e tasso di fotosintesi netta fogliare più elevati di stituzione delle parti danneggiate, alla fotorespirazio- peri innestati su Cotogno C (EMC). Essendo stata sot- ne ed alla spesa di potere riducente determinata dal- toposta alla stessa radiazione incidente, la tesi EMC l'attivazione dei cicli protettivi. Ciò nonostante se in ha incrementato la dissipazione termica NPQ.
vitro i meccanismi della fotoinibizione e fotoprotezio- Tuttavia il Non Photochemical Quenching non è stato ne sono in gran parte chiari, in vivo l'effetto del solo in grado di proteggere completamente i fotosistemi e eccesso luminoso o della sua interazione con altri Energia radiante nelle piante da frutto Fig. 16 - Andamento delle attività dei principali enzimi implicati nel ciclo Glutatione-Ascorbato misurate a diverse concentrazioni di ferro attivo 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 on Vitis 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 diverse concentrazioni 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 measured on 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. Bibliografia
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Source: http://www.italushortus.it/phocadownload/review/review_10/01.losciale.pdf