Review n. 8 – Italus Hortus 15 (4), 2008: 59-68
Modelli ecofisiologici di qualità: i casi delle pesche e dei pomodori
Nadia Bertin*, Philippe Bussières e Michel Génard
Unité Plantes et Systèmes de culture Horticoles, INRA, Domaine St-Paul, Site Agroparc, F-84914
Avignon Cedex 9 (Francia)
Ricevuto: 23 giugno 2008; Accettato: 18 luglio 2008
Ecophysiological models of quality:
cases of peach and tomato fruit
Abstract. Quality is a complex trait, including size,
overall flavour (taste and texture) and visual attractiveness (colour, shape). Quality of the product at harvest depends on each step of the production chain,
from variety development by breeders and choice by
producers, to the conditions of production and distribution. Its management requires the integration of
knowledge at the different steps. Ecophysiological
models represent a helpful tool for this integration, but
very few mechanistic models of quality traits have
been developed. In this work, we describe some
process based models developed on peach and
tomato fruits, which describe main processes governing final fruit size and composition in primary compounds: cell division and expansion, accumulation of
carbon and water, sugar and acid metabolism.
Perspectives of integration of such models to account
for interactions among biological processes are discussed.
Key words: modelling, fruit size, sugar, acid, quality
parameters.
Introduzione
Dare una definizione di qualità del prodotto è difficile, dato che il termine è utilizzato in diversi modi
(Shewfelt, 1999) per designare tipologie differenti di
qualità: commerciale, organolettica, nutrizionale ed
igienico-sanitaria; essa inoltre riguarda in misura
diversa produttori, distributori e consumatori.
Sono stati definiti degli standard di qualità volti a
quantificare i parametri oggetto di attenzione nella
fase di commercializzazione (rivisto da Gruda, 2005).
Fino a qualche decennio fa, il miglioramento genetico ha favorito principalmente produttori e distributori, attraverso la costituzione di cultivar produttive e
resistenti, caratterizzate da prodotti con elevata serbevolezza; le rese sono state incrementate anche grazie al
miglioramento delle tecniche colturali, mentre sono
state per lo più ignorate le preferenze del consumatore.
*
Recentemente, la crescente domanda di un miglioramento del gusto dei prodotti freschi ha determinato
un incremento delle ricerche concernenti questi tratti,
specialmente per quanto riguarda i frutti.
In orticoltura, la maggior parte dei modelli colturali sono basati sui processi di assimilazione del carbonio e prevedono la distribuzione degli assimilati tra gli
organi di accumulo secondo specifiche regole di priorità (Marcelis, 1993; Heuvelink e Bertin, 1994). I
modelli dedicati o che contribuiscono alla previsione
del bilancio idrico a livello della pianta o del frutto
(Lee, 1990; Bussières, 1994; Génard e Huguet, 1997;
Leonardi et al., 2000; Bussières, 2002; Gibert et al.,
2005) hanno iniziato a muoversi verso modelli di qualità, dato che l’accumulo di acqua è coinvolto nel
determinismo di diversi parametri di qualità, in particolare nella dimensione dell’organo e nella diluizione
dei composti accumulati. La tabella 1 dà un quadro,
non pienamente esaustivo, di alcuni dei recenti modelli direttamente o indirettamente dedicati alla previsione della qualità del prodotto. Essi riguardano principalmente la previsione della dimensione del frutto, del
contenuto in sostanza secca ed il verificarsi del marciume apicale in relazione ai flussi xilematici. Altri
tratti di qualità sono stati raramente soggetti a modellizzazione, per la complessità dovuta al coinvolgimento di molti processi biologici interagenti durante le
fasi successive allo sviluppo del frutto.
Considerando la grande importanza della qualità
del prodotto e la larga applicazione della modellizzazione, questo lavoro si concentrerà sull’elaborazione
dei principali parametri di qualità, es. dimensione del
frutto, contenuto di acqua e di sostanza secca, composizione in zuccheri ed acidi basandoci sulla nostra
esperienza su pesca e pomodoro.
La qualità finale è determinata attraverso fasi consecutive dello sviluppo del frutto: una fase iniziale di
intensa divisione cellulare, una seconda di espansione
cellulare e rapida crescita ed una terza di maturazione.
Saranno presentati modelli meccanicistici, relativi alle
prime due fasi, in base al livello organizzativo cui
sono stati descritti. I processi che avvengono durante
la maturazione sono estremamente importanti per la
qualità finale (cambiamenti di colore, sintesi di pig-
[email protected]
59
Bertin et al.
menti, consistenza…), ma sebbene esistano complessi
modelli biochimici, sono necessarie ulteriori ricerche
per l’integrazione a livello di frutto. Recentemente è
stato proposto un modello basato sull’emissione di
etilene da parte del frutto (Génard e Gouble, 2005)
che può essere impiegato per futuri modelli, in considerazione del suo ruolo come fattore guida della maggior parte dei processi che avvengono durante la
Tab. 1 - Alcuni esempi di recenti ricerche riguardanti la modellizzazione della qualità del prodotto di alcune specie ortofrutticole.
Tab. 1 - Some examples of research focussed on modelling product quality of some horticultural species from the recent literature.
Specie
Melo
Broccolo
Crisantemo
Tratti qualitativi
dimensione
contenuto di
sostanza secca,
glucorafanina
qualità totale visiva
Organi
frutto
pianta
chioma, pianta
fiore reciso
dimensione, stadio
di raccolta
frutti
Lattuga
concentrazione
nitrato
pianta
Pesco
Pesco
Pesco
biomassa secca
rapporto peso polpa
su totale,
dimensione,
zuccheri
concentrazione
citrato
rapporto peso polpa
su totale,
dimensione,
zuccheri
frutto medio
frutto medio
fotosintesi, distribuzione
assimilati, crescita
chioma
fotosintesi, distribuzione
assimilati, crescita
trasmissione della luce,
chioma, pianta, frutto fotosintesi, distribuzione
assimilati, crescita del frutto e
contenuto di sostanza secca
fotosintesi, distribuzione
pianta, compartimenti assimilati, respirazione, crescita,
del tessuto
flussi di N, C e acqua ai
compartimenti
fotosintesi, respirazione,
distribuzione assimilati di
ramo, frutto
riserva, crescita, flussi di N, C e
acqua
carbonio, sub-modelli dell’acqua
fusto, nocciolo e
e dello zucchero, distribuzione
polpa
assimilati e riserve
ciclo del citrato, trasporto ed
attività enzimatica, respirazione
frutti
Condizioni
colturali
Riferimento
camera di
crescita
Austin et al.,
1999
serra
Kläring,
et al., 2001
Heuvelink
et al., 2001
serra
serra
campo, vasi Léchaudel
et al., 2005
campo,
suolo
Lescourret
et al., 2005
campo,
suolo
Lobit et al.,
2003
frutto medio
frutto medio
pianta, frutto
carbonio, flussi di calcio ed
chioma, pianta, frutto, acqua nello xilema e nel floema, serra
traspirazione
cellula
marciume apicale
frutto medio
Pomodoro
dimensione
frutto di alcuni
frutto, cellula
germogli
Pomodoro
dimensione,
contenuto di
sostanza secca
frutto medio
frutto, peduncolo
carbonio, sub-modelli dell’acqua
campo,
e dello zucchero, QTL
suolo
moltiplicazione cellulare,
accorciamento telomeri
potenziali idrici, resistenze,
flussi nel peduncolo, calice e
frutto, relazione acqua e
carbonio
Marcelis
et al., 1998
serra,
Seginer
idroponica, et al., 2004.
suolo
mesocarpo, frutto
Peperone
60
Meccanismi considerati
numero di cellule, espansione
cellulare, trasferimento,
frutto, compartimenti allocazione assimilati,
del frutto
dipendenza dalla dimensione
temperatura
Cetriolo
Mango
Livelli modellizzati
Quilot et al.,
2005
Bar-Tal
et al., 1999
serra,
idroponica
Bertin et al.,
2003
serra,
idroponica
Bussières,
2002
Modelli ecofisiologici di qualità
Specie
Pomodoro
Pomodoro
Rosa
Rosa
Tratti qualitativi
contenuto di
sostanza secca,
marciume apicale
contenuto di
sostanza secca,
marciume apicale,
consistenza
fluttuazioni della
produzione
parte epigea, foglie,
gemma
Organi
Livelli modellizzati
Meccanismi considerati
frutto
chioma, pianta,
grappolo, frutto
accumulo di sostanza secca e
distribuzione, crescita delle
foglie, traspirazione, flusso di
calcio
frutto medio
chioma
assorbimento dei nutrienti e CE
calcolata dal clima e modelli di
fotosintesi e traspirazione
ramo
chioma
distribuzione carboidrati
pianta
chioma
distribuzione della sostanza
secca
maturazione. L’evoluzione della qualità nel post-raccolta non sarà considerata, sebbene determinante per
la percezione finale di qualità da parte dei consumatori.
Modellizzazione dei processi coinvolti nelle variazioni della dimensione dei frutti descritti a livello
cellulare
L’incremento del volume del frutto scaturisce dallo
sviluppo del tessuto (Ho e Hewitt, 1986) tramite due
importanti processi: la produzione di nuove cellule e
l’espansione cellulare. Il ruolo fondamentale della divisione cellulare nell’organogenesi e nella determinazione della dimensione degli organi è stata riconosciuta
(Mizukami, 2001), anche se è stata raramente integrata
ai modelli relativi all’accrescimento del frutto.
Modelli di divisione cellulare
Un modello di moltiplicazione cellulare è stato
sviluppato per descrivere la dinamica delle cellule
durante il primo periodo di accrescimento del frutto di
Condizioni
colturali
Riferimento
serra
Hamer, 2002
serra,
idroponica
Schwarz
et al., 2001
serra
Dayan et al.,
2002
Guttierrez
Colomer et
al., 2006
pomodoro (Bertin et al., 2003). Esso considera una
successione di divisioni che avvengono in ognuna
delle due fasi del periodo di divisione cellulare. Nella
prima fase tutte le cellule si dividono ed il loro numero totale aumenta esponenzialmente. Nella seconda
fase, che inizia prima dell’antesi, l’attività di proliferazione diminuisce progressivamente dopo ogni ciclo
mitotico (fig. 1). Come osservato sperimentalmente,
le due fasi si sovrappongono parzialmente durante lo
sviluppo iniziale del frutto. Il momento in cui l’attività proliferativa diminuisce, il suo ritmo di diminuzione e la lunghezza del ciclo cellulare, rappresentano
i tre parametri stimati adattando il modello alla dinamica della popolazione cellulare osservata in frutti di
pomodoro (cv Raissa) e relativa a tre differenti posizioni sul grappolo. E’ stato ipotizzato che il momento
in cui l’attività proliferativa diminuisce dipende dalla
posizione del frutto. Tuttavia, sarebbe necessario integrare il modello considerando anche i controlli genetici ed ambientali al fine di fornire una previsione realistica della dinamica della popolazione cellulare nel
frutto. Questo modello è compatibile con simili
Fig. 1 - Rappresentazione schematica del modello di divisione cellulare sviluppato sul pomodoro (Bertin et al., 2003). I cerchi simboleggiano cicli mitotici consecutivi. Dopo un dato periodo di moltiplicazione esponenziale delle cellule (fino al tempo B), l’attività proliferativa (ı) decrementa ad ogni ciclo cellulare. Le frecce verso il basso mostrano la proporzione delle cellule non proliferative dopo ogni ciclo. ı 1
= 1 e ı i = ı 1 ‰i-1 dove i-1 è il numero di cicli cellulari compiuti dopo il tempo B (fonte: Bertin et al., 2003).
Fig. 1 - Schematic representation of cell division model developed on tomato fruit (Bertin et al., 2003). Circles symbolize successive cell
mitotic cycles. After a given period of exponential multiplication of cells (until B), , the proliferative activity (ı) decreases after each cell
cycle. The down going arrows show the proportion of non-proliferating cells appearing after each cycle. ı 1 = 1 and ı i = ı 1 ‰i-1 where i-1 is
the number f cell cycles performed after B. (source: Bertin et al., 2003).
61
Bertin et al.
modelli fenomelologici continui proposti in letteratura
per altri organi (es. Thornley, 1981). Inoltre, sono
stati sviluppati altri complessi modelli matematici che
descrivono le basi molecolari per il controllo mitotico
(es. Ciliberto e Tyson, 2000), anche se l’elevato
numero di parametri (superiore a 30) renderebbe difficoltosa l’applicazione a livello di frutto.
Modelli di espansione cellulare
Terminata la divisione cellulare, l’accrescimento
del frutto deriva dalla crescita e dall’espansione delle
cellule, dipendenti dall’accumulo di sostanza secca ed
acqua. Le variazioni di volume nel frutto sono di
diversa natura: di lungo periodo (giorni), variazioni
irreversibili o plastiche sono determinanti per l’espansione cellulare (Green et al., 1971), di breve periodo
(ore), variazioni reversibili o elastiche (Ortega, 1990)
riflettono risposte di breve periodo dei flussi floematici e xilematici all’ambiente frutto. Molti lavori propongono di modellizzare la crescita plastica della cellula o del tessuto tramite l’equazione di Lockart
(1965), che collega il ritmo di variazione del volume
cellulare o del tessuto all’irreversibile estensibilità
della parete cellulare (φ; MPa-1 h-1) ed alla pressione
di turgore (P; MPa) al di sopra di una data soglia di
produzione, che determinerebbe l’estensione irreversibile della parete:
Questo modello permette di analizzare la crescita
cellulare conseguenti alle relazioni idriche ed alle proprietà reologiche della cellula, che risultano dominanti
nella risposta della crescita cellulare agli stress
ambientali (Jones e Tardieu, 1998). Per considerare le
variazioni plastiche ed elastiche della dimensione del
frutto l’equazione [1] può essere completata come
segue:
dove ε è il modulo elastico volumetrico (MPa).
Sebbene questi modelli siano stati utilizzati ed
applicati con successo in molti ambienti, altre ipotesi
sono state avanzate. Mingo et al. (2003) hanno dimostrato che la crescita del frutto è influenzata dallo stress
idrico senza modificarne il turgore cellulare e, per le
piante coltivate in terreni secchi, hanno proposto una
regolazione dell’espansione cellulare mediante il pH
sub-epidermico. Un’abbondante letteratura ha sottolineato il ruolo delle proprietà reologiche della cuticola e
62
delle cellule epidermiche nel controllo della crescita
del frutto di pomodoro (Thompson et al., 1998;
Andrew et al., 2002; Bargel e Neinhuis, 2005).Questi
modelli, peraltro, possono non essere del tutto esaustivi
nelle diverse condizioni ambientali, specialmente in
quelle che generano stress. Dalle nostre conoscenze,
nessun attuale modello descrive la limitazione della
crescita in relazione alle proprietà epidermiche ed i
futuri modelli dovrebbero considerare questi risultati
soprattutto perchè le proprietà epidermiche sono verosimilmente coinvolte in molti tratti di qualità.
Modelli di endoreduplicazione cellulare
Durante il periodo di espansione cellulare, l’endoreduplicazione del DNA avviene a differenti livelli in
numerose specie ed in molti organi delle piante.
L’endoreduplicazione è un ciclo cellulare incompleto
che conduce all’incremento del contenuto di DNA
nucleare (D’Amato, 1964), che nei pomodori è superiore a 256C (C è il contenuto di DNA nucleare aploide) (Bergervoet et al., 1996). L’endoreduplicazione
può essere coinvolta nel controllo della crescita del
frutto e nell’accumulo degli zuccheri dato che definisce la dimensione limite di una cellula (Traas et al.,
1998) e facilita la funzione di accumulo del frutto
(Bergervoet et al., 1996). In molte specie ed organi
sono state riportate relazioni positive tra l’endoreduplicazione e la dimensione cellulare (Melaragno et
al., 1993; Cheniclet et al., 2005) anche se solo alcuni
modelli ne prevedono l’inclusione.
Un modello matematico di endoreduplicazione del
DNA è stato proposto (Schweitzer et al., 1995; Lee et
al., 2004) ed applicato al tessuto presentando un limitato numero di classi di DNA. Recentemente ne è
stato sviluppato uno meccanicistico che accoppia la
moltiplicazione cellulare e l’endoreduplicazione del
DNA (Bertin et al., 2007) per simulare l’endoreduplicazione delle cellule del pericarpo di pomodoro. Esso
prende in considerazione il progressivo decremento
della capacità proliferativa delle cellule dopo ogni
ciclo mitotico (fig. 1). Le cellule non proliferative, o
cessano totalmente l’endoreduplicazione, o spostano
irreversibilmente la sintesi ripetuta di DNA determinando un incremento della ploidia della cellula. Il
modello calcola il numero totale di cellule e la loro
distribuzione secondo i modelli di ploidia da 2 C a
256 C in relazione allo sviluppo del tessuto.
Modellizzazione dei processi coinvolti nel bilancio
idrico e del carbonio descritti a livello di frutto
I processi su menzionati sono stati descritti a livello di cellula o di tessuto. Un certo numero di processi
Modelli ecofisiologici di qualità
legati alla qualità sono descritti a livello di frutto, o
perché essi intervengono a questo livello o per la difficoltà di descriverli a livello di cellula, causa l’esistenza di relazioni intercellulari. In questo caso la
modellizzazione a livello di frutto può fornire le
necessarie variabili in ingresso per modelli che descrivono i processi cellulari.
Tra i processi descritti a livello di frutto, quelli che
guidano il bilancio idrico e del carbonio sono importanti perché in generale i sistemi cellulari dipendono
largamente dal carbonio e dall’acqua e perché essi
sono direttamente coinvolti nella diluizione dei composti accumulati e nella crescita dei frutti carnosi,
costituiti principalmente da acqua (95% nel pomodoro
maturo). La modellizzazione dell’effettivo afflusso ed
efflusso di carbonio ed acqua nel frutto e dal frutto è
complessa, includendo il trasporto attraverso il peduncolo e l’epidermide, lo scaricamento del floema e la
regolazione della pressione osmotica interna ed idrostatica. La maggior parte degli attuali modelli hanno
collegato l’afflusso di acqua al frutto alla differenza di
potenziale idrico tra fusto e frutti ed alla resistenza
idraulica incontrata nel percorso (Lee 1989; Johnson
et al. 1992; Bussières, 1994). I modelli di seguito
esposti presentano approcci integrati.
Modelli di ripartizione di acqua e sostanza secca nel
frutto
Bussières (2002) ha presentato un modello di
ripartizione di acqua nel pomodoro basato su un submodello di import nel frutto ed un sub-modello di
flusso nel peduncolo. Il sub-modello dell’import di
acqua nel frutto assimila le vie di trasferimento dell’acqua a due reti vascolari, una che si estende nel
centro del frutto ed un’altra nel pericarpo (Bussières,
1994). Il ritmo di allocazione di acqua attraverso ogni
via di trasferimento è inversamente proporzionale alla
lunghezza del percorso e proporzionale alla differenza
tra il potenziale idrico φD al punto di giunzione del
peduncolo con il frutto ed il potenziale idrico del frutto stesso. Questo dipende dal potenziale osmotico del
frutto φosm e dalla resistenza del tessuto, che aumenta
con il suo spessore. Dopo l’integrazione di tutte le vie
di trasferimento a livello di frutto intero, il ritmo di
ripartizione di acqua per unità di superficie di frutto è
una funzione lineare decrescente del raggio del frutto.
Il sub-modello di flusso nel peduncolo (fig. 2) considera che l’acqua, trasferita principalmente attraverso
il floema, è la somma della traspirazione del calice e
dell’allocazione di acqua nel frutto. Il ritmo di flusso
è proporzionale alla superficie del peduncolo, alla differenza di potenziale idrico tra i due estremi del
peduncolo ed alla conduttività floematica del pedun-
Fig. 2 - Un modello di import di acqua in pomodoro (Bussières,
2002). Il ritmo di trasferimento (traspirazione del calice (dC) +
afflusso di acqua nel frutto (dM) è proporzionale alla superficie A
del peduncolo, alla differenza di potenziale (Φp – ΦD) tra gli estremi del peduncolo ed alla conduttività floematica del peduncolo µ
diviso per la lunghezza del peduncolo L.
Fig. 2 - A model of water import in tomato fruit (Bussières, 2002.
The transfer rate (calyx transpiration (dC) + water import in the
fruit (dM)) is proportional to the sectional area A of the pedicel,
to the difference of water potentials (Φp – ΦD) between pedicel
endings, and to the pedicel phloem conductivity µ divided by the
pedicel lenght L.
colo divisa per la lunghezza del peduncolo stesso
(Bussières, 2002). Questo modello dà un’adeguata
previsione del peso fresco del frutto e del contenuto in
sostanza secca (fig. 3).
Fishman e Génard (1998) proposero un modello
biofisico di ripartizione di acqua e sostanza secca
nella pesca. Esso combina i flussi di acqua xilematici
e floematici e di carbonio verso il frutto (fig. 4A) ed il
Fig. 3 - Concentrazione di sostanza secca in pomodoro coltivato a
diversi livelli di salinità previsti (linee) dal modello di afflusso di
acqua da Bussières (2002) (simboli) nelle prove di Ho et al.
(1987), usando le relazioni trovate nella serie di dati tra i ritmi di
allocazione di acqua e sostanza secca stimati per unità di superficie di frutto (Bussières, 1993).
Fig. 3 - Dry matter concentration of tomato fruits grown at different salinities (symbols) in the trials of Ho et al. (1987) predicted
(lines) by the model of water import from Bussières (2002), using
relations found in the data sets between estimated rates of water
and dry matter imports per unit surface area of fruit
(Bussières, 1993).
63
Bertin et al.
ritmo di espansione cellulare governato dall’equazione di Lockart (eq. 1). I bilanci dell’acqua e del carbonio sono calcolati considerando che:
• la traspirazione dipende dalla superficie del frutto,
dal coefficiente di permeazione della cuticola,
dalla temperatura e dalla differenza di umidità tra
aria e frutto;
• la respirazione è la somma della respirazione di
mantenimento e di crescita, essendo quest’ultima
proporzionale al ritmo di incremento di biomassa
secca, dipendenti entrambi dalla temperatura.
Il frutto è considerato come un grande compartimento separato dall’esterno (tessuto xilematico e floematico) da una membrana composita ed i flussi attraverso questa membrana sono descritti dalle equazioni
termodinamiche, in quanto coinvolgono la conduttività idraulica della membrana, le differenze di pressione osmotica ed idraulica sui due lati della stessa e
la sua impermeabilità ai soluti. L’assorbimento totale
di carbonio dal floema è la somma dei contributi derivanti dal flusso di massa, dalla diffusione passiva e
dal trasporto attivo (o facilitato), quest’ultimo rappresentato dalla funzione di Michaelis-Menten con un
termine di inibizione non competitiva che spiega il
decremento di assorbimento di carbonio con l’età del
frutto. Questo modello è stato applicato con successo
per la previsione della crescita stagionale di biomassa
secca e fresca della pesca in relazione ai diversi rapporti foglia:frutto (fig. 4B).
Modello del metabolismo dello zucchero
Una volta importati nei frutti, gli assimilati del
carbonio sono parzialmente impiegati per crescita e
mantenimento, ed il resto sono immagazzinati sotto
diverse forme. La natura dei composti del carbonio
importati ed immagazzinati dipende dalla specie ed è
determinata geneticamente. Raramente sono stati sviluppati modelli relativi al metabolismo degli zuccheri
nei frutti e il modello SUGAR (Génard e Souty,
1996) ha posto le basi per ulteriori sviluppi. Esso
simula la divisione di una data quantità di carbonio
scaricata dal floema in saccarosio, sorbitolo, glucosio,
fruttosio, altri composti e CO2 prodotta dalla respirazione (fig. 5A). Il frutto è assimilato ad un singolo
compartimento ed il flusso di carbonio tra due aree si
presume sia proporzionale alla quantità di carbonio
alla fonte. Il modello SUGAR è stato usato per la previsione degli effetti ambientali sulla concentrazione
zuccherina della pesca (fig. 5B) (Génard e Huguet,
1997; Génard et al., 1999) ed analizza le variazioni
stagionali dei singoli zuccheri (Génard et al., 2003).
Modello del contenuto di acido
Gli acidi malico e citrico sono i principali acidi
contenuti nella maggior parte dei frutti (Tucker,
1993). Un modello del metabolismo del citrato a
livello cellulare è stato sviluppato per stimare la concentrazione del frutto intero durante il periodo di rapida crescita (Lobit et al., 2003). Come la maggior
Fig. 4 - A Rappresentazione concettuale dei collegamenti tra crescita cellulare guidata dalla pressione di turgore (P) ed accumulo del carbonio (C), ed acqua trasportata dal floema (phl) e dallo xilema (xyl). φ è il potenziale idrico e π è la pressione osmotica del frutto (Fonte:
Génard, com. pers.). B Incremento stagionale della biomassa secca e fresca dei frutti di pesco per differenti rapporti foglia: frutto misurati
in campo (simboli) e previsti dal modello di Fishman e Génard (1998) (linee) (Fonte: Fishman e Génard, 1998).
Fig.4 - A Conceptual representation of the link between cell growth driver by turgor pressure (P) and accumulation of carbon C and water
transported from phloem (phl) and xylem (xyl). φ is water potential and π is fruit osmotic pressure (Source: Génard, pers. comm.). B
Seasonal growth of dry and fresh masses of peach fruits for different leaf: fruit ratios measured in the field (symbols) and predicted by the
model of Fishman and Génard (1998) (lines) (Source: Fishman and Génard, 1998).
64
Modelli ecofisiologici di qualità
Fig. 5 - A Rappresentazione schematica del modello SUGAR (Génard e Souty, 1996), in cui λph è la proporzione di zucchero nella linfa
floematica, k1(t), k2(t), k3(t) e k4(t) sono i ritmi relativi di trasformazione dello zucchero tra i diversi pool nella pesca. Adattando ai dati
sperimentali determinati: k1(t) = k1,3 exp(-k1,1*(t-k1,2)), k2 e k3 costante e k4(t) = k4*(1/Wdry)*dWdry/dt, dove Wdry è la biomassa secca del
mesocarpo (Fonte: Génard et al., 2003). B Distribuzione di una data quantità di carbonio scaricato dal floema in saccarosio, sorbitolo, glucosio, fruttosio misurato per diversi rapporti foglie/frutto: 30 (croci), 18 (triangoli) e 6 (cerchi) e simulati dal modello (linee). (Fonte:
Génard e Souty, 1996).
Fig. 5 - A Schematic representation of the SUGAR model (Génard and Souty, 1996), in which λph is the proportion of sucrose in the
phloem sap, k1(t), k2(t), k3(t) and k4(t) are the relative rates of sugar transformation among the different pools in peach fruit. Fitting on
experimental data determined: k1(t) = k1,3 exp(-k1,1*(t-k1,2)), k2 and k3 constant and k4(t) = k4*(1/Wdry)*dWdry/dt, where Wdry is mesocarp dry
mass. (Source: Génard et al., 2003). B Partitioning of a given amount of carbon unloaded from the phloem into sucrose, sorbitol, glucose,
fructose measured for different leaves/fruit ratios: 30 (crosses), 18 (triangles) and 6 (circles) and simulated by the model (lines). (Source:
Génard and Souty, 1996).
parte degli acidi, il citrato è immagazzinato nei vacuoli delle cellule del mesocarpo e scambiato tra vacuoli
e citosol, dove è sintetizzato grazie ad una serie di
enzimi mitocondriali. Il modello si basa su una rappresentazione semplificata del ciclo del citrato mitocondriale, considerando solamente tre composti intermedi, citrato, malato e piruvato (fig. 6A).
I flussi tra i composti sono assunti come dipendenti dall’attività enzimatica, dalla temperatura, dalla
concentrazione dei composti iniziali e finali e da un
fattore generale alla base della regolazione di complessi processi metabolici riguardanti gli stadi successivi del ciclo del citrato.
La CO2 prodotta da queste reazioni è assimilata
alla respirazione (Re). I trasporti tra citosol e mitocondri sono guidati da gradienti di concentrazione tra i
due compartimenti e dipendono dalla temperatura e
dal trasporto attivo, che è proporzionale al peso secco
del mesocarpo (DW1) nello stadio di indurimento del
nocciolo. Il numero e l’attività dei mitocondri è considerata come costante. Lo sviluppo matematico conduce ad una singola equazione che permette di calcolare
il ritmo di produzione netta del citrato (ϕ mol day-1):
dove a (mol g-1 d-1), d (g mol-1 d-1), b e c (°K-1)
sono coefficienti.
Fornendo giornalmente input di respirazione ed un
incremento di peso fresco e secco, questo modello
prevede bene le variazioni stagionali della concentrazione del citrato nella pesca (fig. 6B). A differenza
dell’acido citrico, la modellizzazione del contenuto di
acido malico è complessa e piuttosto limitata per le
scarse conoscenze sulla regolazione del trasporto ed il
metabolismo del malato a livello di frutto.
Associazione di processi e passaggio dalla cellula al
frutto
Al fine di acquisire nuove informazione e far progredire la modellizzazione relativa alla qualità dei
frutti, il prossimo stadio sarà quello dell’integrazione
dei diversi processi con la descrizione delle interazioni complesse e dei meccanismi di feedback tra i processi stessi. Questo dovrà essere considerato per i passaggi da cellula a pianta. Per esempio, il modello del
metabolismo dello zucchero (Génard e Souty, 1996)
si basa su un dato input di carbonio giornaliero verso
il frutto; ma è noto che l’attività enzimatica che controlla il metabolismo dello zucchero e la compartimentazione, esercita un controllo di feedback sul
ritmo di import di carbonio nel frutto (Ho, 2003). Le
interazioni complesse tra regolazione dello scaricamento del floema, metabolismo del carbonio e compartimentazione nel frutto saranno probabilmente difficili da integrare. Il primo tentativo di integrazione e
simulazione dei tratti multipli di qualità è stato espresso nel modello virtuale della pesca sviluppato da
Lescourret e Génard (2005). Questo modello prevede
65
Bertin et al.
Fig. 6 - A Rappresentazione schematica del modello dell’acido citrico (Lobit et al., 2003). B- Variazione stagionale della concentrazione di
citrato in pesca misurato (simboli) in due anni diversi (grafici superiore ed inferiore) e previsti dal modello (linee).
Fig. 6 - A Schematic representation of citric acid model (Lobit et al., 2003). B Seasonal variations of citrate concentration in peach fruit
measured (symbols) on two different years (upper and lower graphs) and predicted by the model (lines).
dimensione, contenuto di sostanza secca e composizione zuccherina della pesca in risposta alle fluttuazioni ambientali, accoppiando 3 sub-modelli applicati
durante il periodo di crescita intensiva (escludendo
divisione e indurimento del nocciolo):
• un sub-modello del carbonio che calcola la disponibilità giornaliera di carbonio (assimilazione e
rimobilizzazione dalle riserve) e la sua distribuzione tra gli organi vegetativi e riproduttivi, determinando così il flusso giornaliero di carbonio ad ogni
frutto medio del fusto;
• il modello SUGAR (Génard e Souty, 1996; Génard
et al., 2003) ha usato questo flusso giornaliero di
carbonio come input per simulare le trasformazioni
metaboliche tra i singoli zuccheri;
• un sub-modello dell’acqua sviluppato da Fishman
e Génard (1998), in cui il potenziale idrico del
fusto, la temperatura e l’umidità dell’aria sono
considerati costanti e la pressione osmotica del
frutto è calcolata dal contenuto in zuccheri simulato dal sub-modello SUGAR.
Il modello virtuale integrato è stato applicato con
successo in molte condizioni ambientali, anche se
risulta difficile la determinazione dei fattori guida o
delle variabili utili all’integrazione. Nel caso delle
pesche “virtuali”, una domanda teorica di carbonio ne
determina l’ingresso nel frutto influenzando il suo
potenziale osmotico e l’ingresso di acqua che causa, a
sua volta, un incremento di volume. Effettivamente,
66
l’acqua ed il carbonio entrano simultaneamente nel
frutto, specialmente nel caso del pomodoro. Questi
aggiustamenti intervengono per mantenere il turgore
cellulare, integrando l’espansione e la crescita della
cellula, la diluizione del carbonio tramite l’acqua,
l’accumulo di zucchero e la compartimentazione.
L’integrazione del modello necessita di stabilire delle
semplici regole per giustificare delle regolazioni complesse.
Conclusioni - applicazioni di modelli ecofisiologici
per il controllo della qualità dei frutti
Il frutto è un complesso sistema biofisiologico nel
quale molti processi interagiscono a differenti livelli e
la qualità è un complesso tratto quantitativo controllato da geni multipli. I modelli ecofisiologici hanno la
potenzialità di simulare il complesso sistema in interazione con l’ambiente attraverso l’integrazione dei
processi a diversi livelli organizzativi. In questo, essi
rappresentano uno strumento valido per comprendere
il comportamento delle piante o delle colture rilevando i processi chiave e/o gli stadi di sviluppo alla base
del controllo dei tratti complessi (Struik et al., 2005).
Relativamente alla qualità dei frutti, sono stati fatti
considerevoli progressi; d’altra parte, ulteriori ricerche sono ancora necessarie per un certo numero di
processi, specialmente quelli relativi agli acidi, ai
composti secondari ed alla maturazione, e per l’inte-
Modelli ecofisiologici di qualità
grazione dei processi che intervengono durante le
prime fasi di sviluppo del frutto, come per esempio la
divisione cellulare, che richiederebbe l’integrazione di
diversi livelli di controllo (cellula, tessuto, organo,
pianta).
Scopo dei modelli ecofisiologici è stato quello di
usare una pianta virtuale o dei frutti virtuali per svolgere
esperimenti teorici ed evidenziare le proprietà più evidenti del sistema (Lescourret e Génard, 2005), per disegnare nuovi ideotipi adatti ad ambienti specifici (Kropff
et al., 1995) o per analizzare le interazioni genotipo x
ambiente (Reymond et al., 2003; Tardieu, 2003).
Recentemente è apparsa la potenzialità dell’uso dei
modelli ecofisiologici per analizzare i tratti quantitativi (QTL) (Yin et al., 1999; Quilot et al., 2005),
offrendo così nuove opportunità per migliorare le strategie di incrocio (Yin et al., 2004). Per questo scopo, i
modelli dovrebbero essere validati in un ampio campo
di condizioni ambientali e le informazioni relative ai
QTL incorporate. Questo implica una sperimentazione estensiva per definire i coefficienti genetici (parametri genotipo-specifico e ambiente-indipendente) e
fornire ogni genotipo di una serie di caratteri. Lo
scambio di informazioni tra i modelli ecofisiologici e
le analisi QTL è particolarmente promettente per il
pomodoro, quale obiettivo di numerosi studi genetici
e molecolari in tutto il mondo. Nonostante questo, il
miglioramento genetico della qualità dei frutti nelle
cultivar commerciali è ancora rallentato dal complesso controllo multigenico dei numerosi tratti quantitativi e dall’antagonismo tra la dimensione del frutto ed il
contenuto di carboidrati.
I modelli basati sui QTL fornirebbero uno strumento per analizzare questo complesso controllo
genetico, fornendo informazioni sul ruolo funzionale
dei QTL associati con i geni potenzialmente candidati
e, secondariamente, prevedendo la crescita e la composizione del frutto di ogni genotipo virtuale definito
dai suoi alleli ai differenti QTLs identificati.
Riassunto
La qualità è un tratto complesso che dipende dagli
operatori che agiscono ai diversi livelli e quindi la sua
gestione richiede l’integrazione delle diverse conoscenze (costitutore, produttore, distributore). I modelli
ecofisiologici rappresentano un valido strumento per
raggiungere questo scopo. In questo lavoro, sono presentati dei modelli sviluppati per pesca e pomodoro,
che descrivono i principali processi che regolano la
dimensione finale del frutto e la composizione in
composti primari: divisione ed espansione delle cellule, accumulo di carbonio e acqua, metabolismo degli
zuccheri e degli acidi. Sono inoltre discusse le prospettive di integrazione dei modelli per chiarire le
interazioni tra i processi biologici.
Parole chiave: modellizzazione, dimensione frutto,
zuccheri, acidi, parametri di qualità.
Testo tradotto dalla dott.ssa Marianna Martorana,
Dipartimento di OrtoFloroArboricoltura e Tecnologie
Agroalimentari, Università di Catania
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