Applications of chlorophyll a fluorometry: from photosynthetic regulation to crop phenotyping

La fotosintesi può essere affrontata nei suoi aspetti fondamentali, per esempio per quanto riguarda la sua regolazione o le implicazioni evolutive, ma anche per scopi applicativi, soprattutto per quanto riguarda la risposta delle colture agli stress e i programmi di selezione varietale. Una descrizione completa dei processi biofisici alla base dell'assorbimento della luce e del trasporto degli elettroni fotosintetici è necessaria per comprendere i meccanismi di regolazione attraverso i quali la pianta ottimizza la sua efficienza fotosintetica in varie condizioni ambientali. Le misure della fluorescenza della clorofilla a sono utilizzate per ottenere informazioni dettagliate sugli eventi primari di raccolta e conservazione della luce nella catena di trasporto degli elettroni. In questa tesi, ho utilizzato vari metodi basati sulla fluorescenza della clorofilla come strumento di ricerca primario per indagare quattro temi scientifici. Il primo studio riguarda la fotoinibizione e la fotoprotezione del fotosistema II in una pianta vascolare antica, Selaginella martensii, appartenente alle licofite, un clade divergente da tutte le altre piante vascolari. Gli effetti dell'acclimatazione alla luce a lungo termine sulla fotoprotezione del PSII sono stati studiati utilizzando il metodo fluorimetrico della clorofilla noto come "quenching fotochimico misurato al buio" (qPd). Valori singolarmente elevati di qPd a irradianza relativamente bassa suggeriscono un sistema di antenne eterogeneo (disaccoppiamento dell'antenna PSII). L'entità del disaccoppiamento dell'antenna dipende in larga misura dal regime di luce, raggiungendo il valore più alto nelle piante acclimatate al sole. Parallelamente, l’ NPQ fotoprotettivo (pNPQ) aumenta dalle piante coltivate in ombra stretta a quelle coltivate in piena luce. Si propone che le differenze nella modulazione a lungo termine della capacità fotoprotettiva siano proporzionali alla quantità di LHCII non accoppiato. Il secondo studio analizza il problema dell'appressamento della membrana tilacoidale nel cloroplasto gigante caratteristico della stessa specie. In questo caso, l'analisi della fluorescenza veloce della clorofilla è stata accoppiata alla cinetica di ossidazione del P700 per supportare i risultati ottenuti con la morfometria in microscopia elettronica e la solubilizzazione selettiva delle membrane dei tilacoidi. La lunghezza media del granum - quasi 700 nm - era significativamente superiore al limite di lunghezza funzionale ottimale di 500 nm ipotizzato per la corretta diffusione dei trasportatori di elettroni solubili nelle angiosperme. La lenta diffusione dei trasportatori di elettroni in una licofita può spiegare la necessità di una rapida e intensa induzione dell’ NPQ, così come, nel contesto generale della regolazione fotosintetica in S. martensii, suggerisce che l'organizzazione dell’ LHCII in questa specie possa avere altre caratteristiche di unicità. Il terzo studio analizza nuovamente l'importanza di una corretta funzionalità della membrana fotosintetica, concentrandosi però su mutanti di frumento con una ridotta sintesi di clorofilla, affetti da un difettoso controllo del flusso di elettroni fotosintetici. Sei linee mutanti di Triticum durum o Triticum aestivum con le rispettive cultivar wild-type sono state coltivate con un ciclo stagionale regolare in un esperimento di semi-campo. L'attenuazione della gravità del fenotipo ha riguardato soprattutto il recupero della funzionalità della membrana fotosintetica, mentre è stata marginale per quanto riguarda il contenuto di clorofilla. L'accumulo di trasportatori di elettroni intercatena era una fondamentale risposta di acclimatazione, sfruttata in maggior misura dai mutanti di grano duro. La mutazione stessa e/o i meccanismi di compensazione che consumano energia hanno influenzato notevolmente la morfogenesi della pianta, portando soprattutto a una riduzione dell'accestimento, che a sua volta si è tradotta in una minore produzione di granella per pianta. L'ultimo lavoro è incentrato sulla fenotipizzazione dei tratti fotosintetici per supportare la selezione di cultivar di fragola resistenti allo stress salino. In questo caso, viene proposta un'applicazione dell'imaging di fluorescenza della clorofilla, accoppiato alla morfometria RGB, per monitorare la comparsa di alterazioni legate allo stress. L'esperimento è stato condotto presso l'Unità di Fenotipizzazione Slovacca PlantScreenTM (SPPU) dell'Università Slovacca dell’Agricoltura a Nitra. L'esperimento, condotto in condizioni ambientali controllate, ha evidenziato che i parametri di fluorescenza clorofilliana sono molto più sensibili degli indici morfometrici. La varietà Edwina(pbr), la più recente cultivar brevettata dal C.I.V. (Consorzio Italiano Vivaisti), è risultata la più tollerante tra le cinque varietà utilizzate nel confronto. Il lavoro presentato in questa tesi ha il potenziale per portare a nuovi progetti di ricerca volti ad ampliare le conoscenze sul funzionamento fotosintetico di base e sulle applicazioni delle tecniche di fluorimetria della clorofilla nell'ambito della fenotipizzazione delle piante.