Fondamenti metabolici e fisiologici in ambito agrario

U.D. 1 - Biochimica e Fisiologia Vegetale; Gian Attilio Sacchi - LEZIONI FRONTALI 6 CFU
BREVE DESCRIZIONE DELL'INSEGNAMENTO
L'Insegnamento descrive i principali processi biochimici e fisiologici delle piante superiori, la cui conoscenza è indispensabile per la comprensione dei più importanti meccanismi coinvolti nella determinazione della resa produttiva delle colture anche in ambienti marginali.
Il programma dell'Insegnamento prevede, in sintesi, la presentazione e trattazione dei seguenti argomenti: 1) Bioenergetica e termodinamica (0,5 CFU). 2) Catalisi enzimatica (0,5 CFU). 3) Metabolismo energetico: Glicolisi, fermentazione, ciclo TCA, altre vie del metabolismo del C. Fosforilazione ossidativa (1 CFU). 4) Fotosintesi: fase luminosa e fase di assimilazione, ecofisiologia (1,25 CFU); 5) Rapporti pianta-acqua. Traspirazione, regolazione stomatica, ascesa della linfa grezza (1CFU). 6) Traslocazione dei fotosintati (0,25 CFU). 7) Nutrizione minerale. Potenziali chimici ed elettrochimici, assorbimento ed assimilazione di soluti (1 CFU). 8) Fitoregolatori e adattamento agli stress (cenni; 0.5 CFU).
PROGRAMMA DETTAGLIATO DELL'INSEGNAMENTO
Principi di bioenergetica e termodinamica. Sistemi termodinamici e loro relativi ambienti. Prima e seconda legge della termodinamica. Entropia ed energia libera. Reazioni esoergoniche ed endoergoniche; reazioni energeticamente accoppiate. ATP e trasferimento di gruppi fosforici. Altri composti ad alta energia. Gli stati di ossidazione del carbonio nelle molecole di interesse biologico. Il potenziale di ossidoriduzione. Reazioni di ossidoriduzione. Relazione fra delta E e variazione di energia libera (delta G). Coenzimi di ossidoriduzione. Reazioni di ossidoriduzione di interesse biologico (0,5 CFU frontali).
Gli enzimi come catalizzatori biologici: aspetti termodinamici e cinetici della catalisi enzimatica. L'equazione di Michaelis-Menten. Inibizione e regolazione delle reazioni catalizzate da enzimi. (0,5 CFU frontali).
Il metabolismo: concetti di catabolismo ed anabolismo. Metabolismo del carbonio: degradazione dei polisaccaridi di riserva (amido). Glicolisi; fermentazione lattica ed alcoolica. Rendimento energetico della degradazione del glucosio in condizioni anaerobiche. Il ciclo di Krebs. Il flusso degli elettroni e la fosforilazione ossidativa. La teoria chemioosmotica per l'accoppiamento della sintesi di ATP alla forza proton-motrice del gradiente di H+. Rendimento energetico della degradazione del glucosio in condizioni aerobiche. Cenni alla presenza di altri meccanismi per il consumo di O2 nelle cellule vegetali. Altre vie per l'ossidazione del glucosio: la via dei pentosi-fosfati. Cenni agli aspetti fondamentali del metabolismo dei lipidi di riserva; rendimento energetico della degradazione degli acidi grassi. La trasformazione dei lipidi di riserva in carboidrati nelle piante: cenni al ciclo del gliossilato (1 CFU frontali).
La fotosintesi. Lo spettro della radiazione solare; contenuto energetico delle radiazioni di diversa lunghezza d'onda. Radiazione fotosinteticamente attiva. Spettri di assorbimento e spettri d'azione. Pigmenti fotosintetici; fenomeni di eccitazione e deeccitazione. Fotosistemi, complessi antenna, centri di reazione. Trasferimento di energia dai complessi antenna al centro di reazione. Funzione dei pigmenti accessori. Flusso di elettroni e fosforilazione fotosintetici: lo schema a Z. Fotofosforilazione non ciclica e ciclica. Erbicidi che interferiscono con il trasporto fotosintetico di elettroni (cenni). Danni fotoossidativi. La fase di assimilazione del carbonio: cicli C3 e C4, metabolismo CAM. La fotorespirazione (1 CFU). Ecofisiologia della fotosisntesi: risposte alla luce ed alla temperatura, il punto di compensazione per la luce, il punto di compensazione per la CO2. (1.25 CFU)
L'acqua e la pianta. Il potenziale dell'acqua: definizione, fattori che lo influenzano: pressione, temperatura, presenza di soluti. Le componenti del potenziale idrico nella cellula vegetale: potenziale di soluto, potenziale di matrice, potenziale di pressione. Fenomeni osmotici. La legge di Van't Hoff. Soluzioni isotoniche, ipotoniche, ipertoniche. Plasmolisi, turgore. La crescita per distensione della cellula vegetale. Il sistema continuo suolo-pianta-atmosfera. Assorbimento dell'acqua da parte delle radici: via apoplastica e via simplastica. La traspirazione. La forza traente per il movimento della linfa grezza nello xilema: teoria della tensione-adesione-coesione. Perdita di acqua dagli stomi; meccanismi di regolazione dell'apertura stomatica. (1 CFU frontali).
La traslocazione dei fotosintati nel floema. Meccanismi di caricamento e scaricamento del saccarosio nel e dal floema, ruolo del trasporto attivo degli H+. La teoria del flusso da pressione osmoticamente generato per il trasporto dei fotosintati nel floema. Organi "source" ed organi "sink". (0,25 CFU frontali).
La nutrizione minerale: esigenze nutrizionali delle piante: macro e micronutrienti. Disponibilità dei nutrienti e crescita della pianta. Meccanismi di trasporto nelle cellule vegetali. Le membrane cellulari ed il plasmalemma. Loro ruolo nella fisiologia della cellula. Permeabilità selettiva; potenziali chimici ed elettrochimici e loro ruolo nel determinare la direzione del movimento di una sostanza. Equazione di Nernst. Fenomeni diffusionali, trasporto attivo e passivo. Proteine di trasporto e canali ionici. Cenni al ruolo della H+-ATPasi di membrana nella generazione del gradiente di potenziale elettrochimico dei protoni transmembrana e conseguenze sul movimento degli altri soluti. Assorbimento ed assimilazione di azoto, zolfo e fosforo. Assorbimento di micronutrienti: l'esempio del ferro. Esempi di tossicità da minerali pesanti: l'alluminio. Meccanismi di resistenza a metalli pesanti: esclusione e detossificazione. (1 CFU)
Ormoni vegetali e fitoregolatori. Cenni generali sulle caratteristiche peculiari delle sostanze regolatrici di crescita dei vegetali. Valutazione dell'attività biologica: i test biologici. Auxine, gibberelline, citochinine, acido abscissico ed etilene: descrizione di alcuni effetti fisiologici specifici e di alcune pratiche agronomiche ad essi correlati. Fisiologia dello stress. Il concetto di stress. Gli stress abiotici: stress da bassa temperatura, stress idrico, stress da acidità del suolo, stress ossidativi e da irraggiamento. Aspetti biochimici e fisiologici delle risposte delle piante a tali stress. (0,50 CFU)

U.D. 2 - Microbiologia Agraria - Raffaella Zanchi - LEZIONI FRONTALI 3 CFU, ESERCITAZIONI 1 CFU
BREVE DESCRIZIONE DELL'INSEGNAMENTO
L'insegnamento fornisce le nozioni fondamentali riguardanti morfologia, fisiologia, metabolismo e funzione in natura dei microrganismi, in riferimento alla loro utilizzazione nelle biotecnologie agrarie riguardanti la tutela dell'ambiente, la produzione animale e vegetale, la trasformazione degli alimenti.Il programma dell'Insegnamento prevede, in sintesi, la presentazione e trattazione dei seguenti argomenti:
1) Morfologia e citologia dei procarioti (0,25 CFU). 2) Crescita microbica, sua valutazione e controllo (0,25 CFU). 3) Metabolismo microbico e gruppi nutrizionali (0,75 CFU). 4) I virus batterici (0,15 CFU). 5) Elementi di genetica dei procarioti (0,25 CFU). 6) Ecosistemi microbici: interazioni tra microrganismi, animali e piante (0,75 CFU). 7) Cicli biologici degli elementi e gruppi microbici coinvolti (0,6 CFU). 8) Esercitazioni in laboratorio (1 CFU): colture batteriche, microscopia, analisi microbiologiche.
PROGRAMMA DETTAGLIATO DELL'INSEGNAMENTO
Microbiologia generale
Oggetto della microbiologia e suoi settori di applicazione. Microrganismi procarioti e eucarioti: comparazione.
Morfologia dei procarioti.
Citologia dei procarioti: capsula, parete cellulare, membrana citoplasmatica, flagelli e pili, ribosomi, inclusi citoplasmatici, genoma batterico. Endospora.
Crescita microbica, sua valutazione e espressione. Influenza dei fattori ambientali sulla crescita (O2 , temperatura, pH, acqua disponibile, radiazioni). Il controllo della crescita batterica: trattamenti antimicrobici (fisici e chimici) e fattori che ne influenzano l'efficacia. Antibiotico resistenza.
Esigenze nutrizionali dei microrganismi. Metabolismo microbico e gruppi fisiologici. Fotosintesi batterica, respirazione aerobica e anaerobica, fermentazioni. Assimilazione di CO2, N fissazione. Regolazione del metabolismo nei procarioti.
I batteriofagi: ciclo litico e lisogeno.
Elementi di genetica dei procarioti: mutazioni e ricombinazione genica.

Microbiologia agro-ambientale
Interazioni tra microrganismi in ecosistemi microbici (neutralismo, competizione, amensalismo, predazione, commensalismo, parassitismo, mutualismo).
Interazione tra microrganismi e animali (apparato digerente).
Interazioni tra microrganismi e piante (simbiosi mutualistiche)
Cicli biologici degli elementi e gruppi microbici coinvolti. Biodegradazione della sostanza organica naturale e di xenobiotici. Problematiche legate alla reintegrazione della sostanza organica nel suolo agrario.
Esercitazioni in laboratorio - Lavoro in sterilità, tecniche di sterilizzazione. Colture batteriche e terreni colturali. Trapianto, isolamento in coltura pura, ricerca di gruppi microbici specifici in campioni ambientali e alimentari.