Stay metallophyte! Le piante metallare...

I suoli contententi elevate concentrazioni di metalli pesanti costituiscono un ambiente inospitale per la crescita della maggior parte delle specie vegetali dato che in questo ambiente oltre allo stress dato dalla tossicità dei metalli si aggiunge quello della scarsa biodisponibilità di acqua e nutrienti.

I metalli pesanti sono tutti quegli elementi (di transizione e semimetalli) con una elevata tossicità e una densità circa 5 volte maggiore dell’acqua. Alcuni (ferro, rame, zinco, manganese, cromo, molibdeno, nichel e cobalto-per le leguminose) costituiscono dei micronutrienti essenziali entro un centro range di concentrazione al di sotto e al di sopra del quale si hanno rispettivamente carenza e tossicità. Altri (piombo, cadmio, mercurio, arsenico, antimonio) sono soltanto tossici e tutt’al più possono essere tollerati. La tossicità dei metalli pesanti è data dalla loro partecipazioni in reazioni chimiche (Fenton e Haber-Weiss) che rilasciano ROS (specie reattive dell’ossigeno) le quali causano “stress ossidativo”. In particolare, il radicale idrossile causa la perossidazione lipidica delle membrane, l’inibizione della fotosintesi, danni agli acidi nucleici, denaturazione proteica, interferenze con la trasduzione dei segnali e induzione della senescenza. Inoltre i metalli si legano a gruppi –SH delle biomolecole causandone l’inattivazione.

Una delle condizioni basilari per la colonizzazione dei suoli metalliferi è l’abilità da parte delle piante di sviluppare resistenza ai metalli la quale può essere ottenuta tramite evitamento (con il quale la piante si protegge dallo stress esterno) o più spesso tramite tolleranza ( con la quale la pianta sopravvive agli effetti dello stress interno). Le specie “metallare” in grado di fare ciò prendono il nome di “metallofite” e si classificano in due gruppi: le metallofite facoltative o pseudometallofite (che colonizzano sia suoli metalliferi che non) e le metallofite obbligate (specie endemiche dei suoli metalliferi). Queste specie adattate a tollerare i metalli sono per lo più erbacee e di dimensioni ridotte, dato che fino al 20% dell’energia prodotta dall’organismo viene investita non tanto per la crescita in biomassa e per la velocità di riproduzione, quanto per l’implementazione di meccanismi di tolleranza alle condizioni avverse di questi ambienti.

Si conoscono circa 34 famiglie di piante che hanno evoluto meccanismi per la metallo-tolleranza. La maggior parte delle specie appartengono alla famiglia delle Brassicaceae, ma ne troviamo un notevole numero anche tra le Caryophyllaceae, Violaceae, Plumbaginaceae, Asteraceae, Poaceae ecc. Esse colonizzano i suoli contaminati da metalli per cause naturali (serpentini e calamine) o antropogeniche (miniere). Tra le metallofite, il sottogruppo delle “cuprofite” è costituito da specie altamente tolleranti al rame e/o al cobalto e che per il 95% sono presenti nella “Copperbelt” del Katanga ( RD Congo).

Le strategie di adattamento delle piante basate sulla diversa allocazione del metallo in radici e foglie permettono di dividere le metallofite in 3 gruppi:

• Escluditrici: la concentrazione del metallo nelle foglie viene tenuto basso limitando l’assorbimento dalle radici e/o la traslocazione dalle radici alle foglie.

• Indicatrici: la concentrazione del metallo nei tessuti è uguale a quella del suolo

• Accumulatrici: il metallo viene attivamente traslocato e concentrato nelle foglie in concentrazioni superiori a quelle del suolo. Tra queste specie troviamo il sottogruppo delle iperaccumulatrici, che mostrano una tolleranza estremamente alta a specifici metalli che si trovano nel substrato a concentrazioni che normalmente determinano effetti fitotossici.

Nonostante l’evoluzione indipendente della tolleranza ai metalli nei vari gruppi di piante, la sua regolazione fisiologica è molto simile tra le varie specie coinvolte. La pianta può difendersi dagli effetti tossici del metallo limitando il suo accesso ad organi e tessuti e, a livello cellulare, mediante il sequestro e la compartimentalizzazione nel vacuolo degli ioni metallici liberi e la produzione di antiossidanti enzimatici (superossido dismutasi, catalasi, perossidasi) e non enzimatici (ascorbato, glutatione) per contrastare la produzione di specie reattive dell’ossigeno.

Le radici sono i primi organi ad essere sottoposti al surplus di metalli nel suolo. Se esso non è contaminato in modo omogeneo, la pianta può far crescere le radici nelle direzioni di zone meno contaminate. Oppure può generare micorrize mediante simbiosi con i funghi i quali possono funzionare da barriera assorbendo loro stessi il metallo e evitando il suo ingresso nelle radici. Ancora, le radici posso diminuire il numero di trasportatori di membrana per i metalli.

A livello cellulare, la pianta può regolare/limitare l’ingresso dei metalli mediante il rilascio di anioni di acidi carbossilici (malato, citrato, ossalacetato ecc..) o di molecole dette fitosiderofori che legano i cationi metallici e li lasciano fuori dalla cellula o nell’apoplasto. I metalli che riescono a entrare nella cellula vanno incontro a detossificazione tramite legami con molecole contenenti il gruppo -SH come il glutatione, l’istidina libera, le fitochelatine e le metallotioneine, rimossi dal citosol, trasferiti nel vacuolo e lì compartimentalizzati.

Le specie metallofite facoltative che colonizzano suoli sia metalliferi che non si prestano bene a studi comparativi sui meccanismi fisiologici della metallo-tolleranza, sugli adattamenti e sull’influenza del metallo nella risposta ad altri stress. Una specie nostrana è Silene paradoxa (Caryophyllaceae) una specie erbacea escluditrice vivente nel bacino del Mediterraneo che apre il fiore (antesi) durante la notte e che presenta popolazioni non metallicole, tolleranti al rame e tolleranti al nichel. Le loro risposte ad altri stress biotici e abiotici e gli adattamenti anatomici e fotosintetici sono stati oggetto dei miei studi.

Le piante metallofite, in particolare le iperaccumulatrici, sono in via di sperimentazione per poter essere applicate nella fitoestrazione dei metalli dai suoli, a cui potrebbe seguire il recupero di metalli di valore (come il nichel) con una contemporanea bonifica dei suoli.

In conclusione, una riflessione personale. Oltre che studiosa delle piante metallifere sono anche un’ appassionata di musica metal. Come nel gergo metallaro, il saluto tipico è “stay metal!”, così salutiamo le piante metallare dicendo “stay metallophyte!”.

di Elisabetta Giorni

Bibliografia

Baker A.J.M., 1981. Accumulators and excluders – strategies in the response of plants to heavy metals. J. Plant Nutr. 3, 643–654.

Ernst W.H.O., 2006. Evolution of metal tolerance in higher plants. Forest Snow Landsc. Res. 80 (3): 251–274.

Giorni Elisabetta. Responses to environmental stresses in metallicolous and non metallicolous Silene paradoxa L. populations (2017) https://flore.unifi.it/retrieve/handle/2158/1080136/224942/Tesi%20PhD%20Giorni%20Elisabetta.pdf