Integrazione di alcuni aspetti del metabolismo delle radici di mais (Zea mays L.) esposte a cadmio
Creators: name: Bellasio, Chandra
Publisher: name: Zenodo
Year: 2015
Subjects: heavy metal
stress
cadmium
acidosis
maize
roots

description: Il cadmio è un inquinante immesso nell’ambiente a seguito di attività industriali metallurgiche e dell’utilizzo in agricoltura di fertilizzanti e/o ammendanti di scarsa qualità. Le piante, ed i cereali in particolare, assorbono tale elemento con relativa efficienza e lo accumulano tendenzialmente in radice. Ciò limita la possibilità di utilizzare piante di elevata biomassa e rapida crescita, come ad esempio il mais, in interventi di bonifica di suoli inquinati attraverso tecniche di fitoestrazione. La comprensione dei meccanismi biochimici e fisiologici indotti dal Cd, a livello delle cellule della radice, è presupposto essenziale per la definizione di strategie volte a migliorare le capacità fitoestrattive delle piante. Tra le risposte delle cellule radicali ad eccessi di Cd si annovera la sintesi di alcuni chelanti, in particolare acido citrico, malico e, soprattutto, di particolari polipeptidi non proteici ricchi in cisteina (fitochelatine), che diminuiscono l’attività citosolica dello ione tossico. La conseguente richiesta aggiuntiva di scheletri carboniosi e di amminoacidi solforati, dovrebbe comportare un’attivazione della via glicolitica e delle vie di assimilazione dell’azoto e dello zolfo. L’attivazione della via glicolitica pone il problema di una produzione eccessiva di protoni. Poiché esistono molte indicazioni sperimentali a proposito di un effetto di inibizione da parte del Cd sull’attività della H<sup>+</sup>ATPasi del plasmalemma, principale meccanismo di controllo dell’omeostasi del pH cellulare, la cellula dovrebbe, in presenza di tale elemento, utilizzare altri sistemi per smaltire l’eccesso di protoni. Il Cd esplica il suo effetto tossico nei tessuti vegetali anche attraverso un aumento della concentrazione di specie attive dell’ossigeno (AOS), in grado di danneggiare le strutture cellulari. Diversi metaboliti ed enzimi sono deputati allo smaltimento dell’eccesso di AOS; il complesso delle reazioni cui prendono parte è noto come ciclo dell’ascorbato-glutatione. Il ciclo consuma potere riducente sotto forma di NADPH per la rigenerazione dell’ascorbato e del glutatione ossidati dalle AOS. I problemi che si pongono alla cellula nel caso di esposizione al Cd sono quindi molteplici: produrre più acidi organici, glutatione e NADPH; smaltire l’eccesso di protoni conseguente all’attivazione di queste vie metaboliche. Obiettivo del presente lavoro di tesi è stato quello di indagare in radici di mais alcune attività biochimiche, direttamente o indirettamente coinvolte nella sintesi di chelanti endocellulari, nel controllo del pH citoplasmatico e nella produzione di potere riducente, punti essenziali della riposta generale delle cellule vegetali alla presenza del Cd. A tale scopo piante di mais (<em>Zea mays </em>L.) sono state cresciute in coltura idroponica in condizioni controllate. Dopo 72 h di crescita sono state trasferite in soluzioni contenenti Cd 10 mM per ulteriori 24 o 48 ore. L’attività degli enzimi gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi, anidrasi carbonica e fosfoenolpiruvato carbossilasi mostra consistenti aumenti sia a 24 sia a 48 ore, suggerendo un’attivazione della via glicolitica e dell’attività anaplerotica del ciclo di Krebs. A quest’attivazione fa fronte un accumulo di acido malico nel citosol, ma non si registra un aumento dei livelli di acido citrico. L’analisi dei livelli di espressione (analisi western) del trasportatore mitocondriale di acidi di- e tricarbossilici non mostra variazioni nelle diverse condizioni di crescita, ciò fa pensare che l’acido malico non sia convertito in acido citrico. L’attivazione della via glicolitica e l’inibizione della pompa protonica pongono problemi di un surplus di protoni nel citosol. Tramite tecniche <sup>31</sup>P-NMR condotte <em>in vivo</em> è stato possibile determinare uno stato di acidosi del citoplasma ed un aumento dei livelli di fosfato (H<sub>2</sub>PO<sub>4</sub><sup>-</sup>) vacuolare nelle cellule esposte a Cd. Ciò permette di ipotizzare che la cellula, in acidosi, compartimenta fosfato nel vacuolo, processo mediante il quale compartimenta anche una parte dell’eccesso di protoni. Anche il contemporaneo incremento nel consumo totale di O<sub>2</sub> delle radici trattate con Cd può essere interpretato come una risposta alla crescente acidosi. E’ stata inoltre determinata l’attività dei principali enzimi deputati all’assimilazione dell’azoto. L’attività assimilatoria della glutammato deidrogenasi mostra un modesto aumento solo a 24 ore, mentre l’attività catabolica della glutammato deidrogenasi, la glutammina sintetasi e l’attività endopeptidasica non mostrano consistenti variazioni né a 24 né a 48 ore. L’attività nitrato reduttasica mostra invece una diminuzione a 24 ore ed un successivo recupero a 48 ore. Sono stati analizzati i contenuti totali di glutammato, che non risultano essere influenzati dal trattamento. Questi dati, nel complesso ci mostrano che la cellula riesce a far fronte alla richiesta aggiuntiva di amminoacidi per la sintesi di fitochelatine senza modificare in modo determinante il metabolismo dell’azoto; inoltre questo quadro di attività enzimatica ci porta ad escludere sintomi tipici della senescenza, peraltro spesso riportati in letteratura in seguito ad esposizioni a Cd. Il contenuto totale di malondialdeide delle radici (indice di fenomeni di perossidazioni conseguenti a strss ossidativi) non è influenzato dal trattamento, suggerendo che le AOS eventualmente prodotte vengano efficacemente smaltite. In tal senso sembrano interpretabili gli aumenti di attività degli enzimi deputati alla produzione di NADPH, ossia l’enzima malico e la glucosio 6-P deidrogenasi. In conclusione, in radici di mais trattate con Cd, vi è un’attivazione del metabolismo glicolitico e un accumulo di malato, che non sembra dovuta ad un drenaggio di scheletri carboniosi per la sintesi di citrato o glutammato, ma sembra piuttosto dovuta ad una supplementare esigenza di potere riducente. L’attivazione porta alla cellula problemi di acidosi, cui tenta di far fronte compartimentando fosfato nel vacuolo e aumentando il consumo di ossigeno.
description: Cadmium stress responses in maize root cells