Applicazioni della fluorescenza della clorofilla per la diagnosi precoce di stress di origine biotica nelle piante forestali

L'esame della fluorescenza della clorofilla fornisce informazioni sull'efficacia del processo fotosintetico, che potrebbe essere compromesso nel caso in cui una pianta si trovi in condizioni di stress. L'energia luminosa, che colpisce un apparato fotosintetico, viene assorbita da atomi e molecole, che conseguentemente risultano eccitate. Questi atomi e molecole ritornano al loro stato di partenza, restituendo all'ambiente tale energia che può essere destinata al processo fotosintetico o dissipata sotto forma di calore o fluorescenza. Questi tre processi si verificano in competizione fra loro, cosicché un incremento dell'efficienza di uno determina la riduzione della resa degli altri due. Perciò le misure della fluorescenza della clorofilla forniscono informazioni circa l'efficienza fotosintetica e la dissipazione di calore. La fluorescenza della clorofilla viene misurata adattando una foglia alla luce e al buio. Si utilizza una luce modulata avente una definita lunghezza d'onda. Una volta che il fotosistema II assorbe la luce, il centro di reazione è definito ¿chiuso¿, dal momento che non è più in grado di assorbire elettroni, ed in questo momento si registra una riduzione dell'efficienza fotosintetica e un aumento della fluorescenza. Successivamente i livelli di fluorescenza iniziano nuovamente a diminuire in pochi minuti. L'obiettivo di questo lavoro è stato quello di valutare l'utilità dell'esame della fluorescenza della clorofilla per determinare condizioni di stress di origine biotica in piante forestali, e la sua possibile applicazione come metodo di diagnosi precoce. A questo scopo sono stati presi in esame diversi casi di studio. Gli studi consistevano nel confrontare la patogenicità di Heterobasidion annosum (Fries) Bref. e Heterobasiodion irregulare Garbel & Otrosina, nell'osservare i cambiamenti dei parametri fotosintetici delle piantine di Picea abies infettati da Chrysomixa rhododendri, nell'esaminare se lo scambio di gas delle foglie e la fluorescenza della clorofilla possono essere usati come tecniche non distruttive per registrare la sofferenza di Quercus ilex inoculate con Cryphonectria parasitica (Murrill) e Phomapsis spp. Altri studi consistevano nel quantificare gli effetti indiretti dei danni causati da insetti defogliatori, galligeni e funghi patogeni, sulla base di immagini della fluorescenza della clorofilla in alberi di Pinus taeda L. e nel determinare gli effetti degli attacchi dei patogeni Botryosphaeria stevensii Shoemaker, Hypoxylon mediterraneum e Phytophthora cinnamomi su Quercus suber L. È emerso che, in ciascuno di questi studi, la misurazione della fluorescenza della clorofilla è risultata una tecnica d'indagine comune, che ha fornito informazioni utili ai fini perseguiti e soprattutto sensibile nelle fasi iniziali dei processi infettivi. Le conclusioni che sono state tratte sono che l'esame della fluorescenza della clorofilla risulta efficace come metodo per diagnosticare precocemente la presenza di stress di origine biotica in piante forestali, ma, tuttavia, si limita all'individuazione di uno stato di stress, senza fornire ulteriori informazioni più specifiche, come la specie o la localizzazione del patogeno all'interno dei tessuti vegetali. Peraltro gli strumenti di misura, oggi portatili adoperabili anche in campo, non sono comunque sempre di facile utilizzo, dal momento che la misurazione viene eseguita sulle foglie degli alberi e che questo potrebbe richiedere l'uso di un cestello elevatore.

Abstract The examination of chlorophyll fluorescence provides informations about the effectiveness of the photosynthetic process. This process is strongly compromised when a plant is in the condictions of stress, of both biotic and abiotic origin. The light energy, which affects a photosynthetic apparatus, is absorbed by atoms and molecules that subsequently are excited. After a short time, these atoms and molecules return to their original state, leaving this energy. The excited chlorophyll shows different ways of absorbed energy dissipation. Energy can flow in the photosynthetic process or being lost on heat or fluorescence. These three processes occur in competition with each other, so that an increase in efficiency of one determines the yield reduction of the other two. Thus the chlorophyll fluorescence measurements provide information about photosynthetic efficiency and heat dissipation. Chlorophyll fluorescence is measured by adapting a leaf in the light and in the dark using a modulated light with a defined wavelength. Once the photosystem II absorbs light, the reaction center is defined ¿closed¿, since it is no longer able to absorb electrons, and in this moment a reduction of photosynthetic efficiency and an increase in fluorescence happen. Progressively the fluorescence levels decreases. The aim of this work was to evaluate the usefulness of the examination of chlorophyll fluorescence to determine biotic stresses in forest plants, and its possible application as a method for the early diagnosis. For this purpose different case studies were considered whose aim was to identify negative effects on forest plants of some pathogenic fungi or phytophagous insects. The studies consisted in comparing Heterobasidion annosum (Fries) Bref. and Heterobasiodion irregular Garbel & Otrosina pathogenicity, to observe the changes of photosynthetic parameters of needles of Picea abies (Norway spruce) infected by Chrysomixa rhododendri, to examine if the leaf gas exchange and chlorophyll fluorescence can be used as non-destructive techniques to record the physiological conditions of Quercus ilex (holm oak) inoculated with Cryphonectria parasitica (Murrill) and Phomopsis spp. Two other studies consisted in quantifying indirect effects of damage caused by phytophagous insects and pathogenic fungi, based on images of chlorophyll fluorescence in trees of Pinus taeda L. (Loblolly pine) and in determining the effects of the pathogens Botryosphaeria stevensii Shoemaker, Phytophtora cinnamomi and Hypoxylon mediterraneum on physiological aspects and on growth of Quercus suber L. (cork oak). It was found that, in each of these works, the measurement of the of chlorophyll fluorescence was a common investigative technique, which provided useful information on the goals pursued especially effective in the initial stages of infectious processes. Thus, measurements cannot provide any more information about the infectious agent and process. The examination of chlorophyll fluorescence is effective as a method to early diagnose the biotic stresses in forest plants, however, doesn't provide any information on the pathogen involved. Moreover, the measuring instruments which are now portable, and therefore usable even in the field, are not always user-friendly since the measurement is performed on the crown and this may require an elevator.