Il corso si sviluppa secondo tre obiettivi principali:

approfondire alcuni aspetti del metabolismo vegetale che stanno alla base della crescita e dello sviluppo della pianta. Particolare attenzione verrà data a quei processi biochimici e molecolari che vengono modificati dalla pianta in risposta a variazioni di fattori ambientali, sia di tipo abiotico (luce, temperatura carenza o eccesso d’acqua) che biotico (attacco da parte di microrganismi patogeni, di insetti o erbivori)

studiare il metabolismo secondario vegetali, il ruolo dei metaboliti secondari nell’interazione con altri organismi (pianta-pianta, pianta-patogeno, pianta-insetti impollinatori), e la loro utilizzazione nell’industria farmaceutica, cosmetica, alimentare.

Conoscere le basi biochimiche e genetiche delle recenti biotecnologie utilizzate in campo vegetale (ottenimento di piante transgeniche, micropropagazione e colture cellulari mirate alla produzione di particolari metaboliti). Approfindire le prospettive e i problemi che sorgono dall’utilizzazione di tali biotecnologie.

Nell’anno accademico 1999-2000 un ciclo di lezioni sul metabolismo secondario saranno tenute dal Prof. Alfonso Ros Barcelò, dell’Università di Murcia (Spagna). Il Prof. Ros Barcelò è un esperto di metabolismo secondario di fama mondiale.

PROGRAMMA DEL CORSO

1. PECULIARITÀ DEL METABOLISMO VEGETALE

A) Composizione chimica e organizzazione ultrastrutturale della parete cellulare delle piante superiori: cellulosa, pectine, emicellulose, proteine strutturali ed enzimatiche. Biosintesi delle componenti della parete; regolazione nel corso del differenziamento. Relazioni simplasto-apoplasto nella sintesi e organizzazione strutturale della parete. Enzimi per la degradazione della parete e loro regolazione. Biosintesi e sorting delle proteine di parete.
Produzione di oligosaccaridi nelle interazioni pianta-patogeni. Le oligosaccarine come elicitori delle risposte di difesa delle piante; loro ruolo nel controllo della crescita e della morfogenesi.

B) Il genoma plastidiale. Interazione nucleo-plastide nella sintesi dei complessi enzimatici plastidiali. Trasporto nei cloroplasti delle proteine plastidiali codificate dal nucleo.
Regolazione dell’espressione genica durante lo sviluppo dei cloroplasti, ruolo della luce. Espressione dei geni luce-dipendenti. Conversione degli ezioplasti in cloroplasti e regolazione della biosintesi della clorofilla e della violaxantina da parte della luce.

C) Il genoma mitocondriale vegetale e la sua interazione col genoma nucleare: esempi di trasferimento di geni dal mitocondrio al nucleo. Trasporto di proteine nei mitocondri.
Maschiosterilità citoplasmatica.
Respirazione cianuro resistente.

D) Le forme inorganiche dell’azoto utilizzate dalla pianta. Riduzione del nitrato ad ammoniaca. Organicazione dell’azoto. Fissazione biologica dell’azoto molecolare. Biochimica e biologia molecolare dell'interazione Rhizobium-leguminose.

E) Il controllo del metabolismo. Regolazione dell’espressione genica durante la divisione cellulare e il differenziamento. Eventi biochimici che regolano il ciclo cellulare. Eventi biochimici e molecolari nella formazione e maturazione dei semi. Biosintesi e maturazione delle proteine di riserva del seme, rilevanza economica degli interventi finalizzati a modificare la composizione delle riserve dei semi.

F) Metabolismo dell’acido ascorbico. Biosintesi dell’ascorbico nella cellula vegetale ed animale.
Enzimi redox dell’ascorbato e loro ruolo nella divisione e nel differenziamento cellulare. "DHA reducing proteins".
Coinvolgimento del sistema dell’acido ascorbico nei meccanismi di difesa contro stress biotici ed abiotici.

2. METABOLISMO SECONDARIO

A) Terpeni e terpenoidi. Monoterpeni, sesquiterpeni, diterpeni, triterpeni, tetraterpeni, poliprenoli e politerpeni. Biosintesi dei terpeni. Meccanismi di condensazione testa-coda e testa-testa, riduttivi e non riduttivi. Biosintesi dei carotenoidi. Biosintesi dell'acido abscissico delle gibberelline.

B) Fenoli. Acidi fenolici. Acidi idrossicinnamici, fenilpropeni, cumarine e cromoni. Chinoni. Stilbeni. Flavonoidi antocianidine, flavonoli e flavoni, calconi. Tannini. Biosintesi dei flavonoidi. Acido salicilico, suo ruolo nelle risposte di difesa delle piante.

C) Alcaloidi. Alcaloidi veri. Protoalcaloidi. Pseudoalcaloidi. Biosintesi: accoppiamento ossidativo di fenoli; reazione di Mannich; formazione basi di Schiff. Biosintesi della nicotina. Betalaine.

A) Metaboliti secondari e loro ruolo nell’interazione pianta - pianta, pianta – animale
Coevoluzione tra piante e fitofagi. La difesa della pianta dagli erbivori (tossine, deterrenti alimentari) tossine azotate e non. Interazioni ormonali di tipo repulsivo tra piante e animali. Ormoni sessuali animali nelle piante. Fitoestrogeni. Sostanze vegetali ad attività ormonale per gli insetti. Esempi di adattamento da parte dei fitofagi. "Attraenti" alimentari.

B) Basi biochimiche dei sapori.

4. RISPOSTE DI DIFESA DELLE PIANTE AGLI STRESS

A) Meccanismi di difesa delle piante contro i microrganismi fitopatogeni. Reazione ipersensibile; induzione di fitoalessine, di proteine PR e di estensine.
Resistenza sistemica acquisita (SAR).

B) Meccanismi di difesa delle piante contro stress abiotici. Stress idrico: siccità e sali. Acclimatazione al freddo e risposta alle alte temperature, anossia e altri stress abiotici (sostanze inquinanti, piogge acide).

C) Risposte della pianta alle ferite. Induzione sistemica di inibitori di proteasi.

5. LE BIOTECNOLOGIE VEGETALI.

A) Colture in vitro di cellule e tessuti vegetali; loro utilizzazione per la produzione di metaboliti secondari. La micropropagazione.

B) Il trasferimento di geni nelle piante: meccanismi molecolari del trasferimento di geni da Agrobacterium tumefaciens al genoma della pianta. Limiti nell’utilizzazione di A. tumefaciens.
Altre metodologie di trasferimento di geni in tessuti vegetali o colture cellulari.
Problemi per l’ambiente e nuove prospettive nell’ottenimento di piante transgeniche.

Testi consigliati

Dennis, Turpin, Lefebvre e Layzell Editori Plant metabolism Longman London 1997 (II edizione)

Anderson, Beardall Molecular activities of Plant cells. Blackwell Scientific Publications London 1991

Harborne Introduction to ecological Biochemistry Academic Press London 1988

Appunti di lezione