Chlorophyll fluorescence imaging of plants exposed to biotic and abiotic stress: impact on photochemical response

La forte relazione tra parametri di fluorescenza e capacità di assimilazione della CO2 nelle foglie rendono l’analisi dell’emissione di fluorescenza della clorofilla a una tecnica consolidata per lo studio della performance fotosintetica di una pianta. Diversi fattori di stress, pur se non direttamente coinvolti nei meccanismi fotosintetici, inducono cambiamenti del metabolismo fotosintetico variando significativamente la cinetica di emissione della fluorescenza delle piante. Il valore aggiunto dell’analisi di immagine (imaging) ha contribuito considerevolmente a potenziare questa tecnica, fornendo così informazioni in tempo reale sull’eterogeneità spaziale dell’attività fotosintetica di una foglia e, data la non distruttività della tecnica, dello stesso campione nel tempo. In questo studio piante di Brassica oleracea inoculate con Phoma lingam, patogeno fungino, e talee di pioppo clone I 214 contaminate con alte concentrazioni di zinco sono state analizzate in diversi tempi di misura con fluorimetro Imaging- PAM (Walz, Germany) allo scopo di valutare e monitorare la risposta fotochimica di piante modello sottoposte a differenti stress ambientali mediante l’analisi d’immagine dell’emissione di fluorescenza della clorofilla. È stato inoltre sviluppato un software dedicato ed adattato all’elaborazione delle immagini acquisite di foglie di pioppo per ampliare la conoscenza e comprensione degli effetti indotti e dei meccanismi attivati nella risposta alla presenza di zinco. Variazioni dei parametri di resa quantica, di trasporto elettronico e di quenching fotochimico e non- sono state osservate sia in broccolo che in pioppo, come confermato anche dai cambiamenti nel contenuto dei pigmenti fotosintetici. L’analisi d’immagine di piante inoculate con il fungo ha evidenziato risposte diverse fra aree direttamente colpite dal patogeno e quelle lontane, ma influenzate dalla sua presenza. Oltre all’eterogeneità spaziale nella risposta fotochimica è stata osservata una maggiore attività fotosintetica nell’area adiacente a quella direttamente colpita dal patogeno, come aspettato in un’interazione piantapatogeno biotrofica. L’analisi dei parametri di efficienza fotosintetica e di quenching non fotochimico delle foglie di pioppo hanno evidenziato differenze significative nel tempo e nella capacità di accumulare e tollerare le diverse dosi di zinco. Inoltre, l’eterogeneità di risposta delle immagini ha posto l’attenzione sul possibile ruolo esercitato dai pigmenti fotosintetici ipotizzando un loro coinvolgimento attivo nei diversi meccanismi di tolleranza della pianta in risposta alla presenza di livelli tossici crescenti di un microelemento essenziale. L’emissione di fluorescenza, quindi, si conferma come sonda metabolica idonea per studiare le risposte della pianta in funzione di fattori di stress ambientali quali i metalli pesanti e di agenti biologici come batteri, virus e funghi. The plant defense response to biotic and abiotic stress involves morphological and physiological alterations including changes in chloroplast structure and function. Chlorophyll fluorescence emission kinetics from plants provide an indicator of plant photosynthetic performance. Consequently, perturbations of photosynthetic metabolism significantly modify fluorescence emission kinetic characteristics of plants. Several studies show that the photochemical efficiency of photosystems decreases with stress and the excess energy unused in photosynthesis and dissipated by non-photochemical processes increases. A rapid and noninvasive technique involving imaging of chlorophyll fluorescence is useful tool for early detection of plant responses to various stresses. The analysis and monitoring of fungi disease caused by Phoma lingam on broccoli (Brassica olearacea var. italica) and zinc accumulation in poplar (Populus x euramericana, clone I-214) plants were investigated. The plant photosynthetic performance was monitored by the portable Imaging-PAM fluorometer (Walz, Germany). Chlorophyll fluorescence emission and photochemical parameters analysis in plants at different days after inoculation with fungi and treatment with zinc compared with uninfected and uncontaminated plants were carried out. Moreover, a custom software for analysis of the photochemical parameters images has been developed in order to gain a better understanding of the mechanisms that occur under metal stress. Imaging analysis have been suited to visualize heterogeneity in plant response to stress. The monitoring of biotic stress was confirmed. In fact, even if the symptoms are not evident, the photochemical parameters ( changes in broccoli plants were observed. Further areas of infection corresponding to disease development were evident only in imaging analysis. The analysis of photochemical efficiency and non photochemical quenching in poplar plants show differences both in response to time and in the capability to tolerate different zinc concentration. Therefore, heterogeneity of images suggest that the pigment composition and concentration differ in cells from different regions of the leaf, contributing to spatial differences in photochemical activity and changes in the antenna down-regulation. Dottorato di ricerca in Ecologia forestale