© 2013 American Society of Plant Biologists Perché studiare le piante? .

© 2013 American Society of Plant Biologists

Perché studiare le piante?

www.plantcell.org/cgi/doi/10.1105/tpc.109.tt1009


Le piante, come la maggior parte degli animali, sono eucarioti pluricellulari

BatteriArchaea Animali

Piante

Funghi

Antenato comunePhoto credits: Public Health Image Library; NASA; © Dave Powell, USDA Forest Service; tom donald


Le piante non sono tutte uguali

Alghe verdiEpatiche

Muschi

Piante vascolari

Licofite

Felci

Piante a seme

Piante a fiore

Conifere

Piante erbacee Latifoglie

Piante terrestri

Le piante hanno evoluto la capacità di colonizzareambienti terrestri differenti

Images courtesy tom donald


Le persone traggono maggior soddisfazione professionale se nei luoghi di lavoro sono presenti piante

Le piante ci rendono felici

Dravigne, A., Waliczek, T.M., Lineberger, R.D., Zajicek, J.M. (2008) The effect of live plants and window views of green spaces on employee perceptions of job satisfaction. HortScience 43: 183–187. Photo credit: tom donald


Le piante sono organismi viventi affascinanti

Il fiore più grande (~ 1m)

Il più longevo (~ 5000 anni)

L’organismo più grande (> 100m)

Foto di: ma_suska; Bradluke22; Stan Shebs


Non possiamo vivere senza piante

•Le piante producono la maggior parte dell’ossigeno che respiriamo.

•Le piante producono molta dell’energia chimica che noi consumiamo come cibo o che bruciamo come combustibile.

•Le piante producono svariati composti chimici utili.


Non possiamo vivere senza ossigeno!

XX

SENZA ossigeno Joseph Priestley

dimostrò che, respirando, un animale “danneggia” l’aria. Un animale chiuso in un contenitore sigillato alla lunga morirà.


Ossigeno prodottoPriestley dimostrò inoltre che

le piante hanno la capacità di “ripristinare” l’aria. Ora sappiamo che esse, come sottoprodotto del processo di fotosintesi, producono ossigeno.

Non possiamo vivere senza ossigeno!


Le piante fissano il biossido di carbonio in molecole ad alta energia che noi animali usiamo come cibo.

CO2 Le piante convertono CO2 gassosa in zuccheri attraverso il processo di fotosintesi.


Le piante producono svariati composti chimici

vitamina A

vitamina Cvanillina

caffeina

morfina

CO2



Per aiutare la conservazione di piante e ambienti a rischio

Per scoprire di più sul mondo naturale.

Per sfruttare al meglio l’abilità delle piante nel fornirci cibo, medicine ed energia.

Photo credit: tom donald


Studiare le piante ci aiuta a comprendere il nostro mondo

Disegno di sezione di sughero di Robert Hooke, lo scopritore delle “cellule”

Le cellule sono state osservate la prima volte nelle piante

Fotografia di cellule di sughero

Photo credit: ©David B. Fankhauser, Ph.D


I virus sono stati purificati nelle piante

Virus del mosaico del tabacco

I Virus infettano l’uomo così come le piante, causando molte malattie tra cui AIDS, epatite, SARS, influenza suina, cancro della cervice uterina, la varicella e la poliomelite.

Image Copyright 1994 Rothamsted Research.


Gli studi di Mendel sui piselli rivelarono le leggi dell’ereditarietà



…che ci aiutano a comprendere malattie umane come l’anemia falciforme...



…e l’emofilia, così come innumerevoli altre malattie umane che hanno cause genetiche.

Albero genealogico di una famiglia affetta da emofilia



Il lavoro di Mendel gettò le basi per la scienza della genetica vegetale e per l’agronomia.

Il noto coltivatoreNorman Borlaug 1914-2009, premio Nobel nel 1970




La popolazione mondiale continua a crescere...

Si prevede che la popolazione mondiale triplicherà tra il 1950 (2.5 miliardi) e il 2020 (7.5 miliardi)

Pop

olaz

ione

mon

dial

e in

mili

ardi


La popolazione mondiale continua a crescere...

Uno dei principali obiettivi della ricerca sulle piante è aumentare la produzione di cibo; attualmente le stime indicano che sarà necessario incrementare la produzione del 70% nei prossimi 40 anni.

Pop

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La malnutrizione e la fame colpiscono soprattutto i bambini

Nel 2004 nel mondo sono morte 60 milioni di persone.

(Source: World Health Organization, 2008)


Di questi, 10 milioni erano bambini sotto i 5 anni, il 99% dei quali vivevano in Paesi a reddito medio-basso.

(Source: The State of the World's Children, UNICEF, 2007)



5 milioni di bambini sotto i 5 anni muoiono ogni anno a causa della malnutrizione e delle cause ad essa correlate.Questo significa che, ogni sei secondi, un bambino in età prescolare muore per cause prevenibili.



La carenza di vitamina A uccide un milione di bambini all’anno.

(Source: Vitamin and Mineral Deficiency, A Global Progress Report, UNICEF)



Come risponderebbe il mondo ad una malattia che affligge le popolazioni di USA, Canada e Unione Europea?


Nel mondo, oltre un miliardo di persone all’anno soffrono di fame.

Significa più persone degli abitanti di USA, Canada e Unione Europea.

(Source: FAO news release, 19 June 2009)


E’ un numero vicino a quello degli abitanti di USA, Canada, Unione Europea e Cina.

(Source: World Health Organization, WHO Global Database on Anaemia)

Più di due miliardi di persone all’anno soffrono di anemie croniche da carenza di ferro.


CHE COSA POSSONO FARE GLI SCIENZIATI PER QUESTO?


Attraverso lo sviluppo di piante che:resistano alla siccità e agli stressrichiedano meno fertilizzanti e acquaresistano ai patogenisiano più nutrienti

Gli scienziati delle piante possono contribuire alla riduzione della fame


La crescita delle piante è spesso limitata dalla siccità

Image source: IWMIFonte dell’immagine:

Poca o nessuna scarsità idrica

Concreta scarsità idrica

Incombente scarsità idrica

Scarsità idrica economica

Non stimata

Fon

te:

Aree del mondo con scarsità idrica di tipo fisico e economico


La siccità è dovuta all’aumento della temperatura globale

Gornall, J., Betts, R., Burke, E., Clark, R., Camp, J., Willett, K., and Wiltshire, A. Implications of climate change for agricultural productivity in the early twenty-first century. Phil. Trans. Royal Soc. B: 365: 2973-2989.m

Un modello di come la temperatura aumenterà nelle regioni coltivate entro il 2050.

Variazione media della temperatura (°C)

elevato: 5

basso: 0

Nelle regioni calde, i raccolti possono diminuire del ~3 – 5% per ogni incremento di 1°C della temperatura.


Anche un lieve stress idrico può ridurre il raccolto

Un lieve stress da siccità riduce il tasso di fotosintesi e crescita, mentre la siccità estrema è letale.


Abbiamo bisogno di piante che crescano bene anche in condizioni di stress

Il riscaldamento e la siccità riducono i

raccolti



Si rende necessaria la bonifica di sempre più terreni

per coltivare le piante


raccolti




raccolti

Si rende necessaria la bonifica di sempre più terreni

per coltivare le piante

Distruggere le foreste per creare terreni coltivabili

introduce più CO2 nell’atmosfera


Modificare un singolo gene può aumentare la tolleranza della pianta alla siccità

Yu, H., Chen, X., Hong, Y.-Y., Wang, Y., Xu, P., Ke, S.-D., Liu, H.-Y., Zhu, J.-K., Oliver, D.J., Xiang, C.-B. (2008) Activated expression of an Arabidopsis HD-START protein confers drought tolerance with improved root system and reduced stomatal density. Plant Cell 20: 1134-1151.

Ripresa dell’irrigazione

Normale irrigazione

10 giorni di siccità

20 giorni di siccità

Siccità-resistenti

Wild-type / Selvatiche


Un apparato radicale ben sviluppato contribuisce alla tolleranza alla siccità

Germogli Piante adulte

Selvatiche SelvaticheSiccità-

resistentiSiccità-

resistenti

Selezionare piante con un apparato radicale più sviluppato può aiutare la coltivazione in regioni aride.

Yu, H., Chen, X., Hong, Y.-Y., Wang, Y., Xu, P., Ke, S.-D., Liu, H.-Y., Zhu, J.-K., Oliver, D.J., Xiang, C.-B. (2008) Activated expression of an Arabidopsis HD-START protein confers drought tolerance with improved root system and reduced stomatal density. Plant Cell 20: 1134-1151.


I fertilizzanti sono una risorsa dispendiosa e limitante in termini energetici

•Le colture richiedono fertilizzanti - potassio, fosfati, azoto e altri nutrienti.•Potassio e fosfati sono risorse estratte e non rinnovabili.•La sintesi di fertilizzanti a base di azoto richiede una grande quantità di energia.

Photo credits: Mining Top News; Library of Congress, Prints & Photographs Division, FSA-OWI Collection, LC-USW361-374


I fertilizzanti agricoli sono una considerevole fonte di inquinamento ambientale

Photo courtesy of NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio

Lo scarico di fertilizzanti provoca zone morte, dove le fioriture algali che deperiscono riducono i livelli di ossigeno in acqua, rendendo la vita animale impossibile.


Yuan, L., Loque, D., Kojima, S., Rauch, S., Ishiyama, K., Inoue, E., Takahashi, H., and von Wiren, N. (2007). The organization of high-affinity ammonium uptake in Arabidopsis roots depends on the spatial arrangement and biochemical properties of AMT1-type transporters. Plant Cell 19: 2636-2652.

Un sistema di trasporto nelle radici più efficiente può ridurre la quantità di fertilizzante richiesto.

L’assorbimento di nutrienti della pianta può essere migliorato


Gli scienziati stanno incrociando piante perenni con piante coltivate per ridurre la dipendenza di queste ultime da fertilizzanti e acqua.

Wes Jackson del Land Institute tiene tra le mani un grano perenne della specie Thinopyrum intermedium

Le piante perenni assorbono acqua e nutrienti meglio di molte altre piante coltivate

Photo credit: Jodi Torpey, westerngardeners.com


Ad oggi, due gravi malattie minacciano la produzione mondiale di cibo

Phytophthora infestans, causa della peronospora della patata, è riemersa come minaccia.

Puccinia graminis tritici, un fungo che causa la ruggine del grano, si è evoluto in una forma molto aggressiva.

Photo credits: www.news.cornell.edu; www.fao.org


La peronospora uccide le piante di patata

La malattia peronospora della pianta è causata dal Phytophthora infestans. L’epidemia degli anni ‘40 del XXIV secolo causò la distruzione dei i raccolti e causò la morte di oltre un milione di persone in Europa.

Photo credits: USDA; Scott Bauer

Infetta Curata


Identificazione dei geni di resistenza

Resistenti

Inoculate con il fungo Non inoculate

Suscettibili

La pianta sulla sinistra porta il gene di resistenza e non mostra i sintomi della malattia

Song, J., Bradeen, J.M., Naess, S.K., Raasch, J.A., Wielgus, S.M., Haberlach, G.T., Liu, J., Kuang, H., Austin-Phillips, S., Buell, C.R., Helgeson, J.P., Jiang, J. (2003) Gene RB cloned from Solanum bulbocastanum confers broad spectrum resistance to potato late blight. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100:9128–9133.

I genetisti hanno identificato il gene che conferisce resistenza e lo stanno introducendo nelle varietà commestibili.


La ruggine del grano è una minaccia emergente

•Un nuovo ceppo, estremamente patogenico, è emerso in Uganda nel 1999 - E’ stato chiamato Ug99.•Molte varietà di grano non sono resistenti a questo ceppo.

Piante di grano infettePhoto credit: ARS USDA


Ug99 è ovunque una minaccia per il grano

Questo è un problema globale che richiede attenzione globale. Le spore dell’Ug99 non si fermano ai confini nazionali...

– United Nations Food and Agriculture Organization (FAO)

Photo credit: ARS USDA


Il fungo è trasportato dal vento

Ug99 è stato trovato in Uganda, Kenya, Etiopia, Sudan, Yemen e Iran; minaccia le regioni del vicino Oriente, l’Africa meridionale e le regioni centrali e meridionali dell’Asia

I venti che trasportano le spore sono mostrati in rosso.

Photo credit: www.wheatrust.cornell.edu


Il fungo è trasportato dal vento

Il grano è la principale fonte di cibo in queste regioni a rischio, soprattutto per gli abitanti più poveri.

Probabili vie di diffusione dell’Ug99

Photo credit: www.wheatrust.cornell.edu


Gruppi internazionali di scienziati stanno cooperando per seguire la diffusione dell’ Ug99 e sviluppare varietà di grano ad esso resistenti.

Ad oggi, nessuno può prevedere se le varietà resistenti saranno sviluppate in tempo per evitare una imponente carestia... Photo credits: Bluemoose;

FAO


I biologi delle piante studiano modi per mantenere la pianta fresca dopo la raccolta

Dopo la raccolta, i frutti diventano meno duri, maturano e alla fine marciscono

Questi processi rendono il frutto meno appetibile ed influenzano le qualità nutrizionali

Photo credits: Cornell University ; ARC


L’inverdimento insieme alla produzione di solanina può verificarsi in patate non correttamente conservate.La solanina è dannosa e può essere tossica in grandi quantità.

Photo credits: Dr. C.M. Christensen, Univ. of Minnesota.; WSU; Pavalista, A.D. 2001

La muffa Aspergillus cresce sui chicchi di mais.

Le perdite post-raccolta possono ammontare a più del 50% del totale.

I biologi delle piante studiano modi per mantenere la pianta fresca dopo la raccolta

tem

po

(g

iorn

i)

Giorni = -0.106 + 0,6937(GS)

Scala di inverdimento

Bianco Rosa(6.8 µE m-2sec-1)


Carenza di vitamina A

Fame

Le diete di sussistenza sono generalmente povere di nutrienti. Il nostro corpo necessita di vitamine e minerali così come di calorie. La malnutrizione è principalmente una malattia della povertà.

Anemia (bambini)

Un maggiore contenuto nutritivo delle piante può aiutare a ridurre la malnutrizione

Image sources: Petaholmes based on WHO data; WHO


La pratica di arricchire il cibo con vitamine (come il folato e la vitamina A) e micronutrienti (come ferro, zinco e iodio) ha drasticamente ridotto la malnutrizione in gran parte del mondo.

Photo credit: © UNICEF/NYHQ1998-0891/Giacomo Pirozzi


La manioca è l’alimento di base coltivato più comune in Africa, ma a basso contenuto di sostanze nutritive

Gli scienziati hanno recentemente identificato una varietà che produce molta più vitamina A rispetto alla varietà standard.

Welsch, R., Arango, J., Bar, C., Salazar, B., Al-Babili, S., Beltran, J., Chavarriaga, P., Ceballos, H., Tohme, J., and Beyer, P. Provitamin A accumulation in cassava (Manihot esculenta) roots driven by a single nucleotide polymorphism in a phytoene synthase gene. Plant Cell : tpc.110.077560.

Varietà standard bianca

La nuova varietà gialla scoperta


Cibo geneticamente bio-arricchito

Riso arricchito di ferro

Pomodoro selvatico (sopra) e arricchito di

antiossidanti

Photo credits: Golden Rice Humanitarian Board © 2007; Credit: ETH Zurich / Christof Sautter; Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: Butelli, E., et al., Nature Biotechnology 26, 1301 - 1308 copyright (2008).

Riso arricchito di vitamina A


La piante non ci forniscono solo cibo

Le piante:• sono fonte di nuovi farmaci terapeutici• forniscono fibre migliori per carta e tessuti• sono fonte di prodotti bio-rinnovabili• forniscono energie rinnovabili



•Salice (Salix) la corteccia è usata come fonte di aspirina (acido acetilsalicilico)•Digitale (Digitalis purpurea) come fonte di digitossina (usata nella cura di problemi caridaci)•Brevifolia (Taxus brevifolia) come fonte di tassolo (trattamento nella cura del cancro)•Caffè (Coffea arabica) e tè (Camellia sinensis) come fonti di caffeina (stimolante)

Le piante producono centinaia di composti usati come farmaci


La malaria uccide milioni di persone

Le regioni del mondo a più alto rischio di malaria

Hay, S.I., et al., (2009) PLoS Med 6(3): e1000048. doi:10.1371/ journal.pmed.1000048


Il protozoo Plasmodium causa la malaria

Plasmodium all’interno di cellule di topo

Image by Ute Frevert; false color by Margaret Shear.


Il Plasmodium è trasferito agli uomini mediante la puntura di una zanzara infetta

Photo credit: CDC


Ma il Plasmodium sta sviluppando resistenza al chinino, per questo devono essere trovate altre fonti di molecole anti-malaria.

Image credits: Köhler; CDC

La corteccia di china contiene il chinino, che uccide il Plasmodium


Gin e chinino?

(Crown copyright; Photograph courtesy of the Imperial War Museum, London - Q 32160)

Nelle regioni tropicali, ai soldati britannici veniva somministrato chinino in pillole così da prevenire la malaria. Per mascherare il sapore amaro, il chinino veniva mescolato con zucchero, acqua gassata ("tonico") e spesso anche con gin - da qui il nome "Gin tonic".


Artemisia annua è una pianta con nuove proprietà anti-malariche

Photo credit: www.anamed.net

Artemisinina

Artemisia è stata usata per migliaia di anni dagli erboristi cinesi. Nel 1972 il principio attivo, artemisinina, è stato purificato.


Gli scienziati delle piante stanno sviluppando una varietà di Artemisia ad alta produttività

Photo credit: www.york.ac.uk/org/cnap/artemisiaproject/


Le piante possono produrre vaccini e anticorpi sicuri, poco costosi e commestibili.

O ?


Le pareti delle cellule vegetali forniscono importanti e durevoli materiali.

Il legno è composto principalmente dalle pareti delle cellule vegetali.



Parete cellulare

Photo credit: www.wpclipart.com/plants; Zhong, R., et al., (2008) Plant Cell 20:2763-2782 .

La parete primaria delle cellule vegetali è composta principalmente da carboidrati e proteine.

Alcune cellule producono una parete secondaria rigida che contiene la lignina, un componente insolubile e legante.

Proteine solubili

Emicellulosa

Pectina

MicrofibrillaParete

cellulare primaria

Lamella mediana

Membrana plasmatica


Legno e fibre sono ovunque

Rembrandt van Rijn (1631)

Abiti fatti con fibre vegetali (cotone, lino) Le fibre vegetali sono

usate per produrre la carta e prima ancora il papiro.

Il legno è usato per costruzioni e mobili

Le tele sono fatte con fibre flessibili o canapa


Le piante forniscono fibre per carta e tessuti

Il cotone viene oggi selezionato per incrementare la resistenza ai patogeni e migliorare la produzione di fibre.

Photo credits: Chen Lab; IFPC


Il sequenziamento del genoma di pioppo, fonte di fibre per la carta, è stato recentemente completato.

Queste informazioni sono state utilizzate per migliorare l’efficienza nella produzione di carta. Photo credit:

ChmlTech.com

15%-20% Lignina 23%-32%

Emicellulosa

38%-50%Cellulosa

Sbiancamento della polpaIl colore scuro della polpa è principalmente dovcvuto ai residui di lignina. Quest’ultima è rimossa durante il processo di sbiancamento

Dopo cottura O2 sbiancamento


Le piante possono sostituire il petrolio per molti prodotti e scopi

creativecartoons.org.

Sfortunatamente, ci vogliono milioni e milioni di anni per convertire il materiale organico morto in petrolio…e quest’ultimo ora si sta esaurendo.

Il petrolio NON è una risorsa rinnovabile


Le piante possono sostituire il petrolio per molti prodotti e scopi

Il petrolio NON è una risorsa rinnovabile

Da grande sarò un combustibile

fossile!

creativecartoons.org.

Sfortunatamente, ci vogliono milioni e milioni di anni per convertire il materiale organico morto in petrolio…e quest’ultimo ora si sta esaurendo.


Le piante sono una fonte di biocarburanti

Energia dal sole

Image source: Genome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory

Zuccheri, amidi e cellulosa possono essere fermentati a dare etanolo.

Microorganismi fermentano lo zucchero a etanolo, che è poi separato e purificato dalla miscela di acqua, microorganismi e altri residui mediante distillazione.


Image sources: Tilo Hauke, University of Minnesota, Iowa State University Extension.

Il biodiesel prodotto da colza, alghe e soia sta sostituendo il diesel raffinato dal petrolio.

Le piante sono una fonte di biodiesel


Le colture agricole da cui si ricava bio-energia non devono danneggiare la produzione di cibo o il suo

prezzo

Miscanthus giganteus è una coltura perenne a rapida crescita, da cui si ricava bio-energia; essa può crescere in terreni inadatti alla produzione di cibo.

Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006


L’etanolo ottenuto dalla cellulosa delle pareti cellulari è un’importante fonte di energia

Pareti cellulari di mais e altri

residui agricoli.

Etanolo

Image source: Genome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory

Molecola di cellulosa

CellobiosioGlucosio

La cellulosa è formata da due molecole di glucosio (cellobiosio).

Emicellulosa

Lignina

Cellulosa

Cellulosa

Pretrattamento


Le piante possono essere fonte di risorse biorinnovabili e biodegradabili

Energia dal sole

Plastica prodotta da materiale vegetale rinnovabile



Energia dal sole

Biodegradazione

Le piante possono essere fonte di risorse biorinnovabili e biodegradabili

Gli scienzianti stanno studiando un metodo economico per la conversione di piante in plastica.



Perchè studiare le piante?

Lo studio sulle piante migliora la nostra conoscenza riguarda la vita in generale e ci aiuta a usarle per mantenerci nutriti, sani, riparati, vestiti e felici.

© 2013 American Society of Plant Biologists© 2013 American Society of Plant Biologists

“Why Study Plants?”

Created by the American Society for Plant Biology and published in the series “Teaching Tools in Plant

Biology” on the website of The Plant Cell

(http://www.plantcell.org)



Translated by Dario Paolo and Andrea Grioni, Università degli

Studi di MilanoDip. di BioScienze - Sezione di

Botanica Generale

Date post:	02-May-2015
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© 2013 American Society of Plant Biologists Perché studiare le piante? .

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