097-111 Aronne et al - Studio dell

097-111 Aronne et al - Studio dell
INFORMATORE BOTANICO ITALIANO, 43 (1) 97-111, 2011
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L’approccio interdisciplinare nello studio dell’impollinazione
delle Angiosperme
G. ARONNE, V. DE MICCO e M. GIOVANETTI
ABSTRACT -tThe interdisciplinary approach in the study of pollination of Angiosperms - As for other complex systems, the
process of pollination cannot be explained just through the sum of its components. The analysis of each factor has to be
processed by experimental methods, but focusing on an interdisciplinary and holistic approach. We provide a short introduction of the main historical steps that brought to the study of pollination and a synthesis of the current scientific paths
adopted to investigate anemophilous and entomophilous pollen transport. The experimental standards so far developed
to investigate wind efficiency in pollen transport and the role of floral traits in insect attraction are deeply described. We
gave special attention to those methods adopted to estimate shapes, colours and odours of flowers, underlining the importance of understanding the basic cognitive processes employed by pollinators. Our survey, even if not comprising all the
possible features of this wide topic, is meant as an input to approach it experimentally but keeping in mind the fact that
its complexity yields crucial restrictions. For this reason, emphasis is given to underestimated factors that involves different disciplines as physics, chemistry, anatomy, neurobiology, behaviour; finally the importance of the interdisciplinary
approach to get a comprehensive view is highlighted.
Key words: anemophily, entomophily, pollination
Ricevuto il 16 Febbraio 2011
Accettato il 16 Maggio 2011
INTRODUZIONE
Nell’ambito dei processi biologici, l’impollinazione
delle Angiosperme è un sistema estremamente complesso, basato sulla fitta rete di interazioni tra organismi appartenenti alla stessa specie, a specie diverse e
regni differenti. Nella maggior parte delle specie, il
trasferimento di polline da un individuo all’altro si
realizza da milioni di anni con stupefacente efficienza. Intricate interazioni tra fiori e pronubi si compiono continuamente con straordinari e raffinati
meccanismi. Complessi processi di competizione tra
specie vegetali che fioriscono simultaneamente si
superano con apparente semplicità.
L’interazione tra piante ed animali nasce da esigenze
diverse. Da un lato, le piante sono individui stanziali: l’impossibilità di movimento rende necessario
l’uso di stratagemmi (generalmente un vettore, abiotico o biotico) per permettere ai gameti di allontanarsi dall’individuo che li ha prodotti e dar luogo alla
riproduzione incrociata. I vantaggi dell’impollinazione incrociata hanno sicuramente costituito una spinta evolutiva che dalle prime angiosperme ermafrodi-
te ha portato ad un’elevata plasticità nei sistemi
riproduttivi: piante con stami e pistilli su fiori e/o
individui diversi, o con entrambi sul medesimo individuo ma con fasi funzionali asincrone, o con altre
(tante altre) strategie capaci di ridurre la possibilità di
autofecondazione. Dall’altro lato, gli animali, quando coinvolti nei processi d’impollinazione sono generalmente interessati al consumo di tessuti vegetali
come fonte di cibo per sé e/o la progenie. Tra le
diverse parti di una pianta, ovuli e polline hanno alto
valore nutritivo in quanto particolarmente ricchi di
proteine, carboidrati e lipidi. La relazione che si è
creata, nel lungo corso dell’evoluzione, tra fiori ed
animali è partita da un iniziale antagonismo e si è poi
trasformata nell’attuale mutualismo.
L’impollinazione è quindi uno dei sistemi biologici
più complessi: coinvolge infatti organismi differenti,
che devono soddisfare esigenze diverse, inseriti in
contesti ambientali che condizionano fortemente il
raggiungimento degli obiettivi.
Quando un sistema presenta numerosi elementi che
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interagiscono tra loro, quando le interazioni non
sempre sono lineari e quando si verificano fenomeni
emergenti, cioè non facilmente prevedibili e non
desumibili dalla semplice sommatoria degli elementi, il sistema di definisce complesso.
In passato, lo studio di qualsiasi sistema complesso
è stato affrontato in modo analitico, esaminando le
diverse componenti in discipline scientifiche separate. Attualmente si protende ad affrontare l’analisi
dei sistemi complessi riprendendo il concetto olistico descritto per la prima volta da SMUTS (1926).
Con questo approccio, i sistemi complessi si esaminano applicando il metodo scientifico in un contesto interdisciplinare e tenendo presente che le caratteristiche di un fenomeno non possono essere spiegate esclusivamente tramite la somma delle sue
componenti.
Anemofilia ed entomofilia sono i processi di trasporto del polline più diffusi. Tradizionalmente essi sono
considerati alternativi e l’accertata osservazione di
insetti attivi sui fiori di una specie, porta automaticamente ad escludere che essa possa essere impollinata dal vento. L’ambofilia (trasporto del polline sia tramite gli insetti sia tramite il vento) è un fenomeno
descritto per poche specie, ma a seguito di mirate
verifiche potrebbe risultare molto più diffuso.
Il processo di impollinazione delle piante è stato studiato con vari approcci metodologici. Il più immediato ed intuitivo consiste nell’osservazione e trascrizione di qualsiasi evento collegato all’attività riproduttiva della pianta (fiore in antesi) e, quando presente, del visitatore (consumatore di polline e/o nettare). Questo tipo di informazione è solitamente
descrittivo, ha la sua origine negli albori dello studio
dell’impollinazione, ma si è spesso dimostrato riduttivo o addirittura errato: ad esempio, non sempre il
visitatore è anche impollinatore. Attualmente, sempre più frequentemente, a studi di tipo descrittivo si
affiancano ricerche sperimentali raffinate. Nel caso di
entomofilia, alcuni impollinatori appartenenti alla
famiglia degli imenotteri (in particolare, ape da miele
e bombo) essendo attratti da una gran varietà di fiori,
più di altri insetti sono stati utilizzati per verificare
sperimentalmente ipotesi scientifiche. Tuttavia, l’analisi sempre più dettagliata di singoli aspetti, pur
evidenziando fattori altrimenti sottostimati, può
allontanare il ricercatore dalla valutazione del fenomeno in un contesto più ampio.
Nei paragrafi che seguono, dopo una breve storia
degli studi sull’impollinazione, si sintetizzano gli
approcci sperimentali utilizzati attualmente per studiare i sistemi di trasporto del polline. Si riportano e
discutono i metodi usati per analizzare le diverse
caratteristiche del processo anemofilo; inoltre, per
quanto riguarda l’entomofilia, si considerano gli
aspetti relativi ai fenomeni di attrazione dei pronubi
determinati dalle strutture fiorali che coinvolgono in
particolare la vista e l’olfatto degli insetti. Per tutti gli
aspetti relativi alle ricompense che gli impollinatori
ottengono dai fiori si rimanda a monografie specifiche tra cui quella recente di NICOLSON et al. (2007).
ARONNE et al.
TAPPE DEGLI STUDI SULL’IMPOLLINAZIONE
Lo studio dei processi di impollinazione ha una storia antica. Da un lato, si può attribuire già a
Teofrasto (373-287 a.C.) l’intuizione che le piante
avessero una sessualità paragonabile a quella animale.
Mentre dall’altro, Aristotele (384-322 a.c.) aveva
notato che le visite delle api non erano casuali: fenomeno in seguito chiamato “costanza fiorale”. Ci
vorrà parecchio tempo però prima di comprendere la
profonda connessione tra mondo vegetale e mondo
animale. La prima ipotesi del polline quale elemento
necessario alla produzione dei semi si deve al botanico inglese Nehmiah Grew, nel 1600. Nello stesso
periodo furono condotti anche i primi esperimenti di
rimozione di parti florali (ad opera di R.J.
Camerarius, che dimostrò così anche l’esistenza di
specie ermafrodite, quasi contemporaneamente scoperte tra le lumache), e perfino di produzione di ibridi di piante ornamentali. Il risultato di questi esperimenti non venne però accolto con curiosità, ma piuttosto contestato e per un ulteriore mezzo secolo l’argomento non fu ulteriormente sviluppato. Solo
intorno al 1750 venne finalmente accettata la sessualità nelle piante e si riscoprì l’importanza degli insetti per la loro riproduzione (P. Miller, 1691-1771). È
J.G. Kölreuter che, nella seconda metà del 1700,
dimostrò, attraverso vari esperimenti, la funzione
degli insetti e scoprì l’esistenza del nettare. Egli intuì
che questa secrezione zuccherina è l’elemento utilizzato dalle api per produrre il miele e comprese quindi l’importanza che il nettare può avere nell’attrarre
gli impollinatori.
Alla fine del secolo C.K. Sprengel (1750-1816)
descrisse le strutture fiorali dedicate alla produzione
e conservazione del nettare e formulò inoltre ipotesi
sulle funzioni di corolla, profumo e colore dei fiori,
sottolineando le differenti caratteristiche delle piante
che affidano il loro polline al vento.
Per più di mezzo secolo questi lavori furono purtroppo poco considerati, specialmente in ambito
botanico. L’interesse per la tematica ripartì nel 1800
con le osservazioni e le conseguenti pubblicazioni di
C. Darwin. Il suo lavoro ispirò molti studiosi ed agli
inizi del 1900 furono scritti, sia in tedesco sia in
inglese, monografie che riuniscono le nozioni acquisite durante il secolo precedente; ma qui l’interesse
per l’impollinazione nuovamente diminuì. Questo fu
il secolo in cui nuove discipline presero il sopravvento, grazie soprattutto ai notevoli sviluppi in campo
tecnologico: paleobotanica, morfologia, fisiologia,
ma soprattutto genetica e citologia. Verso queste
discipline si convogliò l’attenzione della maggior
parte degli studiosi, anche perché era convinzione
diffusa che dell’impollinazione si era capito ormai
quasi tutto.
Durante il secolo scorso, botanici ed entomologi, più
di altre categorie di ricercatori, hanno continuato a
studiare l’impollinazione, sia come ricerca di base sia
applicata, approfondendo unilateralmente gli aspetti
più strettamente legati alle loro discipline. I primi si
sono interessati al trasferimento del polline dalle
Studio dell’impollinazione delle Angiosperme
antere agli stimmi negli studi finalizzati alla biologia
riproduttiva delle piante o al miglioramento delle
produzioni agricole; i secondi hanno studiato l’impollinazione in quanto, per esempio, interessati all’etologia degli imenotteri o alla produzione di miele.
Alla fine del 1900, l’opera di FAEGRI, VAN DER PIJL
(1979) ha dato nuovo vigore a questi studi, stimolando altri ricercatori ad indagare sui processi di
impollinazione alternando l’approccio metodologico delle misure in campo, generalmente utilizzato
dagli ecologi, con quello sperimentale di laboratorio
adottato dai biologi (JONES, LITTLE, 1983; REAL,
1983; DAFNI, 1992; KEARNS, INOUYE, 1993; DAFNI
et al., 2005).
Attualmente, l’immagine del naturalista che trascorre intere giornate in un prato fiorito a seguire il volo
di api e farfalle si adatta poco a descrivere i metodi di
ricerca in questo campo; precise metodologie di studio sperimentale sono continuamente perfezionate
ed interessano non solo la botanica e l’etologia, ma
anche la chimica e la fisica. Il pensiero scientifico,
attraverso la formulazione di ipotesi testabili e
modelli matematici che riproducano casi osservati e
generino ulteriori tesi di lavoro, è forse il miglior
strumento di cui dispone il ricercatore contemporaneo ed è sempre più applicato anche allo studio dell’impollinazione.
IMPOLLINAZIONE ANEMOFILA
Caratteri associati e fattori che la influenzano
Per lungo tempo l’impollinazione anemofila è stata
considerata essenzialmente un fenomeno di tipo stocastico che coinvolge la produzione ed il rilascio di
grandi quantità di polline (FAEGRI, VAN DER PIJL,
1979). Studi approfonditi di biologia ed ecologia
hanno invece riconosciuto il ruolo fondamentale
svolto dai principi di fluidodinamica nei fenomeni di
rilascio e dispersione del polline, nonché nella sua
intercettazione da parte delle strutture riproduttive.
In tal senso, analogamente al concetto di coevoluzione tra piante ed impollinatori, sono state sviluppate
teorie sull’evoluzione dei caratteri morfologici delle
strutture riproduttive anche sotto la spinta di fenomeni di adattamento ai principi aerodinamici
(ACKERMAN, 2000). Lo stesso polline delle specie
anemofile è caratterizzato da una serie di caratteri che
ne favoriscono la diffusione attraverso le correnti d’aria, tra cui: presenza di granuli isolati e di dimensioni ridotte, forma sferica, superficie liscia, esina semplice con aperture ridotte (PACINI, HESSE, 2004).
Questi granuli sono in genere prodotti in elevate
quantità (Fig. 1), sono rilasciati da antere ben esposte e presentano vitalità/germinabilità breve (PACINI,
et al., 1997). I fiori, riuniti in infiorescenze ad amento e spighe, sono caratterizzati da perianzio ridotto e
poco evidente, stimmi esposti, lunghi e piumosi,
numero ridotto di ovuli. La presenza di fiori diclini
ed il dioicismo sono piuttosto diffusi tra le specie
anemofile. La separazione spaziale dei due tipi di
gameti limita, fino ad evitare del tutto (specie dioiche), la possibilità di autoimpollinazione.
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Fig. 1
Nuvola di polline che si allontana dai fiori di Phillyrea
latifolia L.
Pollen cloud leaving flowers of Phillyrea latifolia L.
Al di là di alcuni casi studio ben dettagliati, generalmente mancano informazioni sperimentali sui meccanismi che regolano l’impollinazione anemofila
delle diverse specie. È accertato però che la dispersione del polline attraverso il vento è influenzata da
molteplici fattori tra cui la velocità del vento, fenomeni di turbolenza, quantità di polline rilasciato,
massa e forma dei granuli, velocità dei pollini, ecc.
Non sorprende quindi che la fioritura ed il rilascio
del polline nelle specie anemofile tendano ad essere
strettamente correlate ad alcune condizioni fisiche
tra cui la stagione e specifici momenti della giornata
caratterizzati da determinate condizioni di insolazione e umidità (WHITEHEAD, 1983). Quest’ultima
gioca un ruolo fondamentale nel rilascio del polline
(generalmente favorito da condizioni asciutte) e nel
mantenimento della sua vitalità (ARONNE, 1999). In
alcune specie, il momento di inizio e la durata del
rilascio del polline possono essere previste con una
certa precisione, tanto che possono essere stabiliti dei
veri e propri calendari molto utili in campo medico
nel caso di pollini allergenici.
Se da un lato sono numerosi i fattori che influenzano il rilascio del polline, bisogna anche considerare
che altrettanto numerosi sono i fattori che influiscono sulla probabilità che il polline rilasciato arrivi al
posto giusto, nel momento giusto, ovvero su stimmi
conspecifici in fase recettiva. È abbastanza intuitivo
come tale probabilità dipenda fondamentalmente:
dal polline rilasciato, dalle condizioni atmosferiche,
dal tipo di vegetazione che circonda la sorgente di
polline e dalle proprietà delle superfici recettive.
Relativamente al polline, le proprietà che hanno
maggiore importanza sono la quantità di granuli rilasciati e la velocità di sedimentazione (dipendente da
dimensioni, forma, presenza di particolari appendici,
ecc.). Per quanto riguarda i fenomeni atmosferici, il
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ruolo maggiore è riconosciuto alla velocità del vento,
alla viscosità dell’aria, alla presenza di fenomeni di
turbolenza ed all’azione di lavaggio dell’atmosfera
esercitata dalla pioggia. Grande influenza può essere
esercitata anche dal tipo di vegetazione che circonda
la sorgente di polline, poiché determina il tipo e la
quantità di strutture che possono intercettare i granuli. Infine, anche l’estensione e le proprietà adesive
ed aerodinamiche delle superfici recettive, come la
velocità di cattura del polline, svolgono un ruolo
rilevante.
Data l’importanza dei fattori ambientali sul rilascio
del polline e sulla probabilità che questo sia intercettato dalle strutture recettive, va da sé che quando si
studia l’anemofilia, bisogna prestare particolare
attenzione ad una serie di parametri quali ad esempio
l’ora del giorno, temperatura ed umidità dell’aria,
velocità e direzione del vento, intensità luminosa,
condizioni di ombreggiamento, ecc.
Approccio metodologico
Per stabilire se in una specie il vento agisce sul trasporto del polline come vettore unico (anemofilia) o
in combinazione con vettori biotici (ambofilia), oltre
all’accertamento della presenza di morfologie fiorali e
caratteri pollinici specifici è necessario effettuare una
verifica sperimentale. Per raggiungere questo obiettivo si possono utilizzare diversi metodi. Alcuni di essi
si basano sull’isolamento dei fiori da possibili visite
di impollinatori attraverso la copertura con strutture
specifiche; altri sull’osservazione della presenza di
polline su vetrini trappola posti a varie distanze dai
fiori sottoposti a correnti d’aria uniformi (ARONNE et
al., 1993).
Osservazione delle caratteristiche del polline trasportato
dal vento
Una prima semplice analisi riguarda lo studio della
morfologia pollinica. L’importanza dell’analisi morfologica si basa sul principio che specifici insiemi di
caratteri del polline possano essere associati a determinate sindromi di impollinazione. Per rendersi
conto della diversità morfologica del polline di specie
anemofile e di quello di specie entomofile, basta raccogliere in campo polline o fiori/infiorescenze di specie che presentano diverse sindromi di impollinazione e trasferirlo in laboratorio per l’osservazione al
microscopio ottico a luce trasmessa. I caratteri principali da evidenziare sono: forma, caratteristiche dell’esina, presenza di “pollenkitt”, ecc. [Per i dettagli si
rimanda a ERDTMANN (1969) e KEARNS, INOUYE
(1993)]. L’assenza del pollenkitt, ad esempio, può
essere indicazione di impollinazione anemofila e
determina la tendenza dei granuli pollinici a disperdersi singolarmente senza aggregarsi in gruppi
(PACINI, FRANCHI, 1998). Se è vero però che il polline delle specie anemofile ha la più bassa tendenza
all’aggregazione, mentre quello delle zoofile tende ad
aggregarsi più facilmente, bisogna considerare la possibile interferenza di altri fattori come il numero di
giorni passato dal rilascio del polline dalle antere: nel
ARONNE et al.
tempo infatti il pollenkitt tende a disidratarsi determinando una minore capacità di aggregazione anche
in granuli di specie zoofile. Le unità di dispersione
del polline possono essere analizzate con appositi
sistemi che permettono di osservare al microscopio i
pattern di aggregazione dei granuli. A questo parametro si può aggiungere la misura della velocità di
sedimentazione del polline attraverso l’utilizzo di
semplici apparati, che consentono il passaggio del
polline attraverso tubi di lunghezze standard alla cui
estremità inferiore è posta una piattaforma rotante a
velocità nota e che alloggia vetrini trattati con materiale adesivo (DI GIOVANNI et al., 1995).
Analizzando i vetrini al microscopio, è possibile
determinare il numero di granuli pollinici presenti
singolarmente o a gruppi per unità di superficie, registrare il tempo impiegato dai granuli ad attraversare
il tubo e visualizzare i risultati in grafici. Un altro
parametro importante da tenere in considerazione è
la stima quantitativa della sorgente di impollinazione. Si tratta di una misura demografica dell’attività
staminifera di una data popolazione di piante in una
regione specifica. Può essere propriamente quantificata in riferimento ad un’area appositamente delimitata, attraverso formule che tengono conto del
numero di steli con strutture riproduttive presenti
nell’area, del numero di Unità Riproduttive (per es.
fiori), del numero di antere per fiore e del numero di
granuli pollinici per antera (DAFNI, 1992).
Tecniche basate sull’isolamento dei fiori
L’isolamento dei fiori è un approccio spesso utilizzato per valutare la velocità di cattura del polline da
parte degli organi recettivi. Le superfici recettive
devono essere protette dal contatto con altri pollini
prima che inizi lo studio, ma anche dopo che il
periodo di osservazione stabilito è terminato.
Tuttavia, le superfici devono essere esposte per un
tempo sufficiente affinché il polline giunto sugli
stimmi vi aderisca bene e germini in modo da eliminare il rischio che i granuli vengano rimossi accidentalmente durante le operazioni di campionamento e
preparazione dei campioni per l’osservazione al
microscopio. La prima operazione si esegue prima
che inizi il periodo di recettività degli stimmi e prevede l’isolamento dei fiori con strutture da rimuovere in momenti specifici e per durate diverse.
Successivamente, ad intervalli di tempo prestabiliti si
raccolgono gli stimmi per osservarli al microscopio e
contare il numero di granuli che vi hanno aderito e/o
che hanno iniziato a sviluppare il tubetto pollinico.
Per accertare l’effettivo verificarsi dell’impollinazione
anemofila, l’isolamento dei fiori dovrebbe essere eseguito con apparati e materiale che escludano l’azione
degli impollinatori, ma consentano l’entrata di polline trasportato dal vento. La produzione di semi ottenuta con questo trattamento potrà essere confrontata con quella che si ha quando il fiore è contemporaneamente esposto o celato ad entrambe le sorgenti di
impollinazione, in modo da verificare l’eventuale
produzione di semi per apomissia (SACCHI, PRICE,
Studio dell’impollinazione delle Angiosperme
1988). In alcuni casi, è necessario emasculare il fiore
in modo da escludere l’autoimpollinazione. Sono
stati descritti diversi sistemi per escludere l’azione
degli insetti impollinatori, quali ad esempio l’applicazione di fogli di acetato trasparente, di ritagli di
bottiglie di plastica o bustine di materiale plastico, da
sagomare intorno ai fiori ed in cui creare delle aperture sigillate da retine per permettere il passaggio del
polline (KEVAN, 1972; ARROYO, SQUEO, 1987). Per
escludere anche il passaggio del polline trasportato
dal vento è possibile utilizzare semplicemente sacchetti di cotone o di carta (ARROYO, SQUEO, 1987;
SACCHI, PRICE, 1988). Nella scelta dei materiali da
utilizzare bisogna prediligere quelli che consentono
di mantenere umidità e temperatura del fiore il più
possibile simili alle condizioni naturali. Per verificare
se il polline entra nei contenitori utilizzati è consigliabile inserire in alcuni di essi dei vetrini ricoperti
con gel e materiali adesivi (per es. glicerolo, silicone,
ecc.) in modo da contare al microscopio il numero di
granuli di polline intercettati e di confrontarlo col
numero di granuli depositati in vetrini di controllo
non coperti da alcun filtro (SACCHI, PRICE, 1988).
Considerata la complessità dei fenomeni di gamia e
compatibilità che possono interferire con l’impollinazione anemofila, ulteriori verifiche sperimentali
devono essere pianificate in funzione degli obiettivi
specifici del lavoro.
Verifica dell’effettivo trasporto del polline da parte del
vento
Per accertare che il polline di una pianta sia trasportato dal vento ed a quali distanze, è possibile fare
ricorso a svariati metodi, alcuni piuttosto semplici,
altri più sofisticati che si basano su strumenti molto
utilizzati soprattutto in campo medico per lo studio
della diffusione di pollini allergenici.
Secondo i protocolli più semplici, è consigliabile disporre vetrini ricoperti con materiale adesivo a distanze prestabilite da una potenziale sorgente di polline
per analizzarli dopo un certo numero di giorni al
microscopio. I vetrini possono essere disposti in
“trappole” costituite da piattaforme specificamente
progettate dal punto di vista aerodinamico, che
alloggiano i vetrini orizzontalmente oppure verticalmente (per es. il catturatore Durham, la trappola
Tauber). Accanto a semplici vetrini, possono essere
utilizzate anche altre strutture adesive sagomate in
modo che simulino le dimensioni e le forme delle
infiorescenze. Tuttavia, nell’interpretazione dei risultati bisogna tener conto dell’influenza di fenomeni
aerodinamici che nell’impollinazione anemofila giocano un ruolo fondamentale e differente in funzione
della struttura intercettata (NIKLAS, 1985a).
Metodologie più accurate prevedono l’utilizzo di
campionatori di aria che possono analizzare volumi
di aria stabiliti (SACCHI, PRICE, 1988). Esempi di
campionatori elettrici sono Rotorods, Buckard e
Hirst. Il primo è uno strumento che permette la rotazione di strutture coperte di materiale adesivo in
modo da catturare il polline presente nell’aria. La
velocità di rotazione molto elevata rende trascurabile
101
l’influenza della velocità del vento. Questo strumento permette una misura piuttosto accurata della
diversità e quantità di polline per unità di volume
dell’aria (DI GIOVANNI et al., 1996). I campionatori
del tipo Burkard e Hirst risucchiano volumi noti di
aria dall’esterno e la convogliano a contatto con le
superfici adesive che possono essere costituite da
vetrini coperti di materiale adesivo oppure di un
nastro adesivo montati su tamburo. Quest’ultimo
ruota a velocità nota, può essere rimosso ed in genere compie un giro completo in una settimana. Esso
viene periodicamente rimosso per osservare al microscopio i pollini raccolti.
Aspetti bio-meccanici possono anche essere presi in
considerazione attraverso l’osservazione delle traiettorie che i granuli di polline seguono in tunnel in cui
sono create correnti d’aria artificiali (NIKLAS, 1984,
1985b, 1985c; NIKLAS, BUCHMANN, 1988).
IMPOLLINAZIONE ENTOMOFILA
Lo studio dell’impollinazione zoofila dovrebbe essere
affrontato sia dal punto di vista della pianta sia dal
punto di vista degli animali coinvolti (Fig. 2).
Fig. 2
Rappresentazione schematica dell’interazione pianta-pronubo: da una parte, la pianta pubblicizza se stessa attraverso una serie di elementi attrattivi, dall’altra l’interesse
del pronubo è ben mirato. Su entrambi influiscono una
serie di fattori eco-fisiologici che favoriscono/limitano
l’interazione.
Schematic illustration of the plant-pollinator interaction:
on one side, the plant advertises itself through some
attractive elements, on the other the pollinator has specific interests. On both, plant and pollinator, ecophysiological factors influence/limit the interaction.
Per una completa comprensione del fenomeno è
importante conoscere le strategie di attrazione evolute nei fiori, ma non si può prescindere dal considerare che gli impollinatori effettuano la visita del fiore
per soddisfare le loro esigenze biologiche (per es.
nutrizionali) e che il grado di percezione dei segnali
emessi dai fiori dipende dalle caratteristiche di questi
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animali. La maggior parte degli studi sperimentali
sui fenomeni di attrazione fiore-pronubo è stata condotta su imenotteri (in particolare sull’ape domestica
e sui bombi), mentre sono spesso scarse le informazioni disponibili per altri impollinatori, quali ad
esempio ditteri e lepidotteri.
Nei paragrafi che seguono, sono illustrati brevemente i principali caratteri fiorali che attraggono gli
insetti impollinatori e sono riportate alcune tecniche
sperimentali per affrontarne lo studio. In particolare,
si analizzano quelli che determinano un’attrazione
visiva e quelli che esercitano un richiamo olfattivo.
Anche se per comodità si tende a studiare separatamente i diversi segnali emessi dai fiori, è importante
ribadire che gli impollinatori percepiscono tutti i
segnali contemporaneamente e che differenti combinazioni possono portare risultati differenti anche in
momenti diversi della giornata.
Attrazione visiva
Come quantificare dimensioni e forma di un fiore
I caratteri dimensione e forma dei fiori, sebbene
apparentemente di facile intuizione, non sono semplici da quantificare in modo oggettivo. Per quanto
riguarda la dimensione del fiore, bisogna prima di
tutto considerare che il fiore come unità morfologica
non necessariamente coincide con l’unità ecologica/funzionale. Le infiorescenze ad esempio possono
essere considerate insiemi di unità morfologiche
costituenti un’unica unità funzionale; tuttavia, la
percezione da parte dell’impollinatore di una singola
unità o di un insieme di più unità non è solo funzione della grandezza dei fiori ma piuttosto della loro
vicinanza. Per superare questo problema, si può considerare il singolo fiore di una infiorescenza come
unità funzionale quando la distanza dagli altri supera le dimensioni del fiore stesso. A tal fine, si può fare
riferimento a parametri semplici (per es. diametro
della corolla, lunghezza del tubo corollino), o combinazioni di parametri (per es. lunghezza media del
petalo moltiplicata per la sua larghezza). Questi
metodi non tengono conto della forma del fiore e
della dimensione delle superfici che realmente svolgono funzione di attrazione; pertanto, non sono sufficienti per studi comparativi. Per confrontare fiori di
forma e dimensioni differenti, si può considerare la
proiezione planare del fiore rispetto all’angolo di
approccio dell’impollinatore, parametro che dipende
non solo dalla forma del fiore, ma anche dal grado di
apertura e dall’angolazione dalla quale è osservato
(DAFNI, 1994). Secondo questo parametro, appare
semplicistico considerare una corolla actinomorfa
come una struttura a simmetria radiale per definizione. Per lungo tempo, la proiezione planare del fiore è
stata stimata a partire da misure lineari delle parti
fiorali e assimilando le differenti parti fiorali o l’intero fiore a figure geometriche ad esso circoscritte.
Questo approccio comporta necessariamente errori
di sovrastima di diversa entità in funzione della
forma geometrica utilizzata e della forma del fiore
misurato. Con l’avvento dei sistemi di analisi d’immagine digitale, questi errori di misurazione sono
ARONNE et al.
stati minimizzati poiché è possibile misurare facilmente la superficie ed il perimetro di fiori dalla
forma irregolare. Dal rapporto tra il perimetro della
proiezione planare del fiore e la sua superficie si ricava la densità del contorno di un fiore anche riconosciuta come intensità di una figura (HERTZ 1933;
DAFNI et al., 1997). Questo parametro sembra giocare un ruolo ecologico molto importante: a parità di
dimensioni e di altre caratteristiche, un fiore con un
numero maggiore di petali è caratterizzato da un
potere di attrazione più elevato rispetto ad uno con
meno petali quindi dalla forma meno frastagliata
(Fig. 3). In questa analisi non bisogna trascurare la
distanza dell’impollinatore: fiori di dimensioni e
forma simile possono apparire con differente intensità se posti a distanze diverse. Altro parametro collegato alla densità del contorno è la frequenza spaziale
definita come il numero di contorni di fiori che si
intercettano lungo un transetto in una area specifica
(DAFNI et al., 1997).
Fig. 3
Rappresentazione schematica di come la capacità di attrazione di un fiore è direttamente proporzionale alla densità del contorno di un fiore, ma diminuisce all’aumentare
della distanza dall’impollinatore.
Schematic view representing that flower attractiveness is
directly proportional to figure intensity, but is lowered by
increasing distance from the pollinators.
Come valutare il ruolo di dimensioni e forma di un
fiore nell’attrazione degli impollinatori
La valutazione dell’importanza delle dimensioni e
della forma di un fiore per l’attrazione degli impollinatori è stata affrontata principalmente con metodi
basati sull’utilizzo di modelli artificiali, più raramente con prove sperimentali basate su fiori.
Anche se semplici da utilizzare, il problema principale dei modelli è che si tende a far riferimento ad un
fiore simmetrico ideale, che in condizioni naturali è
veramente raro da trovare anche nel caso di corolle
Studio dell’impollinazione delle Angiosperme
actinomorfe viste da varie angolazioni (DAFNI,
KEVAN, 1997). La maggior parte dei modelli utilizzati sono in bianco e nero, lontani quindi dalle condizioni naturali (WEHNER, 1981; LEHRER, 1993;
SRINIVASAN, 1993), mentre nel caso dei modelli a
colori non è semplice considerare l’interferenza che
possono avere variazioni di luminosità (LEHRER,
BISCHOF, 1995; GIURFA et al., 1996). La posizione e
l’orientamento dei modelli in campo possono avere
un’influenza non facilmente quantificabile. I modelli possono essere trattati con soluzioni zuccherine in
modo da offrire una ricompensa ai visitatori, ricompensa che però interferisce col ruolo di attrazione di
forma e dimensioni del modello. Inoltre, specialmente negli studi sull’ape domestica, è richiesta una
sorta di addestramento degli insetti che altrimenti
non sarebbero attratti dai modelli che non offrono
alcuna ricompensa.
Relativamente alle prove sperimentali con fiori, l’approccio tradizionalmente utilizzato prevede l’osservazione delle variazioni del comportamento degli
impollinatori dopo aver causato il cambiamento di
forma ai fiori attraverso l’eliminazione di porzioni di
organi fiorali oppure l’aggiunta di parti artificiali. Si
tratta di esperimenti semplici da eseguire e che consentono anche di individuare la capacità di attrazione specifica di alcune parti fiorali. Tuttavia, questo
approccio ha anche numerosi svantaggi tra cui l’interferenza con stimoli olfattivi aggiuntivi che possono essere conseguenti alla mutilazione del fiore
oppure all’aggiunta di parti colorate artificialmente.
Bisogna anche considerare che la rimozione di alcune parti fiorali può rendere il fiore più appetibile
quando le ricompense diventano più facilmente
accessibili.
Colore di un fiore e sua percezione
Da più di due secoli è riconosciuto il ruolo del colore dei fiori nella capacità di attrazione degli impollinatori. Particolari colori e loro combinazioni possono infatti indicare la presenza e la localizzazione di
una ricompensa: è il caso delle “guide del nettare”
descritte per la prima volta da Christian Konrad
Sprengel nel 1793. Più recentemente, è stato evidenziato che determinati gruppi di impollinatori sono
attratti in modo particolare da specifici colori
(KEVAN, 1983).
Oltre alle tecniche analitiche (per es. cromatografia)
che si basano sulla caratterizzazione dei pigmenti
estratti dai fiori, numerosi altri metodi sono stati
proposti ed utilizzati per “misurare” il colore di un
fiore e per valutarne il ruolo nell’attrazione degli
impollinatori. Si tratta di metodi sorti dalla necessità di standardizzare e rendere replicabile la misura
di una proprietà talmente istintiva e naturale da
risultare facilmente oggetto di valutazioni inquinate da una forte soggettività, dovuta alla percezione
stessa del colore da parte dell’osservatore. La maggior parte delle tecniche normalmente utilizzate
richiedono che i fiori vengano recisi dalla pianta e
talvolta che vengano trasportati in laboratorio. In
103
genere, queste operazioni non comportano problemi poiché il colore dei fiori può rimanere invariato
anche per molte ore. Nel caso sia necessario trasportare i fiori, è opportuno prevenirne il disseccamento racchiudendoli in sacchetti di plastica sigillati in cui sia stata nebulizzata dell’acqua. Tali sacchetti devono essere tenuti lontani da fonti di calore. Prima di riportare alcuni esempi delle metodologie più utilizzate, è importante sottolineare quali
sono i fenomeni che possono far variare il colore del
fiore e la sua percezione.
La capacità di attrazione degli impollinatori da parte
del colore di un fiore dipende non solo dal colore
stesso, che può variare in relazione a numerosi fattori intrinseci ed estrinseci, ma anche dalle caratteristiche dello spettro visivo degli impollinatori.
Relativamente alle cause di variabilità intrinseca dei
fiori, è accertato che il colore varia con l’età del fiore
stesso. Difatti, variazioni di colore, talvolta impercettibili per l’occhio umano, si possono verificare nel
corso delle diverse fasi riproduttive. Dal punto di
vista ecologico, queste variazioni sono estremamente
importanti poiché sono generalmente legate alla
maggiore o minore disponibilità di ricompense ed
hanno lo scopo di attrarre gli impollinatori proprio
quando gli organi fiorali sono recettivi (WEISS,
2001). Tra i fattori ambientali che possono influenzare la percezione del colore di un fiore, rilevanti
sono le condizioni di illuminazione, il contrasto con
fiori di specie differenti contemporaneamente in fioritura ed in generale con i colori dello sfondo
(CHITTKA et al., 1994). Infine, la percezione dei
colori è strettamente dipendente dall’osservatore. La
maggior parte degli impollinatori ha una capacità
visiva che si estende dall’ultravioletto fino alle lunghezze d’onda del rosso dello spettro elettromagnetico. Conoscere il tipo di recettori spettrali alla base del
sistema visivo degli impollinatori, ad esempio sapere
se si tratta di sistemi di-, tri- (per es. nelle api) o tetrae policromatici (per es. nei lepidotteri), è fondamentale per l’applicazione delle metodologie di quantificazione del colore di un fiore negli studi di impollinazione.
Come definire il colore di un fiore
Nonostante la percezione del colore vari nei diversi
gruppi di animali, può essere comunque utile cercare di quantificare il colore di un fiore facendo riferimento alla sensibilità dell’occhio umano che però
non tiene conto della componente ultravioletta. Per
standardizzare la descrizione del colore si può certamente fare riferimento a parametri come tinta, saturazione e luminosità. Tuttavia, un metodo molto più
immediato prevede la valutazione del colore attraverso il confronto del fiore stesso con carte colorimetriche standard che abbiano un numero elevato di campioni di colori. Le carte normalmente utilizzate in
orticoltura sono caratterizzate da una codifica numerica di ciascun colore, accompagnata da nomi standardizzati in varie lingue con esempi di alcuni fiori.
Esempi di carte colorimetriche sono riportati in
104
TUCKER et al. (1991). L’utilizzo delle carte colorimetriche rappresenta un metodo rapido per l’analisi di
un numero elevato di campioni. Tuttavia, l’utilizzo di
diversi tipi di carte da diversi autori può essere motivo di confusione.
Un parametro più oggettivo che può essere preso in
considerazione è la riflettanza della luce. Tale parametro, è stato proposto da REESE, BARROWS (1980) e
dimostra come l’attività delle api varia a seconda dell’esposizione dei versanti, a parità di altre condizioni
ambientali. Per la valutazione della riflettanza, si utilizzano apparecchi fotografici equipaggiati con filtri,
o combinazioni di filtri, caratterizzati da lunghezze
d’onda specifiche che corrispondono ai pigmenti
dello spettro visivo delle diverse classi di impollinatori. I fiori o parti di essi sono quindi fotografati dal
“punto di vista” dell’impollinatore e messi a confronto, a patto che il sistema fotografico sia calibrato. In
genere, il fiore si fotografa con una serie di filtri
monocromatici, caratterizzati da un intervallo ristretto di lunghezze d’onda, insieme ad una scala di grigio i cui valori sono calibrati in equivalenti di riflettanza percentuale. La riflettanza dei fiori si valuta
facendo un confronto visivo con la scala di grigio. Per
i dettagli sui filtri monocromatici, sul loro significato e sul loro utilizzo si può fare riferimento al lavoro
di KEVAN (1983). Considerato che molti impollinatori percepiscono anche le lunghezze d’onda dell’ultravioletto, la riflettanza dell’ultravioletto può essere
quantificata con tecniche fotografiche analoghe,
naturalmente utilizzando appositi filtri.
Un’altra tecnica fotografica, piuttosto complessa
anche se economica, è stata proposta da MCCREA,
LEVY (1983) e permette di riportare la componente
ultravioletta visibile agli insetti in colori visibili
all’uomo. Il riconoscimento dell’importanza della
riflettanza nell’ultravioletto ai fini dell’interazione
fiore/insetto risale al 1950 quando Daumer riuscì a
dimostrare il significato biologico dei pattern fiorali
visibili nell’ultravioletto, utilizzati dagli insetti come
guide per la localizzazione delle ricompense (JONES,
BUCKMANN, 1974).
Anche se semplice da mettere in pratica e poco costosa, l’analisi fotografica richiede molta attenzione.
Punti critici sono l’impostazione dell’esposizione e la
selezione delle pellicole e delle lenti in funzione delle
lunghezze d’onda da fotografare, poiché scelte sbagliate possono determinare l’insorgenza di artefatti.
Inoltre, bisogna prestare molta attenzione nella
messa a fuoco, soprattutto nel caso di lunghezze
d’onda brevi: la luce dall’ultravioletto al blu passando attraverso le lenti della fotocamera viene rifratta
in modo che le immagini sono riprodotte su un
piano focale diverso da quello corrispondente alle
altre lunghezze d’onda. Ancora una volta, si ribadisce
l’importanza di avere sempre una scala di grigio di
riferimento nell’inquadratura in modo da evitare
errori di interpretazione dovuti all’interferenza dello
sfondo e delle condizioni di illuminazione. Sarebbe
preferibile fotografare i fiori con uno sfondo nero, in
condizioni di luce diffusa allo scopo di ridurre riflessi ed ombre che possono rendere di difficile interpre-
ARONNE et al.
tazione la fotografia. Negli ultimi anni, l’analisi fotografica tradizionale è stata affiancata dai sistemi digitali. In questo caso, l’attendibilità delle immagini
ottenute dipende strettamente da precisione ed accuratezza degli apparati utilizzati poiché quelli più semplici ed economici possono non essere sufficientemente sensibili e possono generare errori nell’interpretazione delle immagini. I sistemi fotografici possono essere anche sostituiti da videocamere.
L’analisi fotografica può essere affiancata da un metodo quantitativo che richiede l’utilizzo di spettrofotometri a raggio singolo o doppio. Nel primo caso, i
fiori devono essere sistemati su una superficie piana,
ad una distanza specifica dalla sonda ed in determinate condizioni di illuminazione. Queste ed altre
condizioni devono essere standardizzate in modo da
utilizzare sempre le stesse per campioni diversi e per
lo standard di colore bianco. I valori di riflettanza
infatti sono sempre espressi in riferimento ad uno
standard noto che viene generalmente misurato all’inizio di ogni analisi. Inoltre, le misure sono sempre
accompagnate da una misura al buio per escludere
eventuali segnali di fondo dello strumento. Per la
spettrometria a doppio raggio si utilizzano gli spettrofotometri normalmente utilizzati in laboratorio
per misurare la trasmittanza o l’assorbanza di matrici
liquide disposte in appositi contenitori trasparenti.
Nel caso specifico, però, tali apparecchi sono equipaggiati anche di speciali strutture, camere sferoidali
rivestite di materiale capace di riflettere le lunghezze
d’onda dall’ultravioletto al vicino infrarosso. Queste
camere sono dotate di due porte: una in cui inserire
l’oggetto/fiore da misurare, l’altro in cui si inserisce
lo standard bianco. La luce che entra nella camera
sferoidale è riflessa e diffusa dalle pareti della camera,
dallo standard bianco e dall’oggetto da studiare. Lo
strumento quindi misura le proprietà spettrali della
luce alterata dall’oggetto d’interesse.
A questo punto si vuole sottolineare che conoscere lo
spettro di riflessione di un fiore non è sufficiente, ma
tale informazione dovrebbe essere integrata dalle
curve di sensibilità spettrale dei recettori di colore
posseduti dai diversi impollinatori. Ulteriore complicazione risiede nel fatto che la sensibilità dei fotorecettori degli impollinatori varia sensibilmente in funzione di quanto i fotorecettori stessi sono stimolati.
Ad esempio, in condizioni di scarsa illuminazione, i
fotorecettori possono diventare più sensibili. Per far
fronte a tali problemi sono state proposte formule e
funzioni per calcolare fattori di sensibilità e gli spettri di riflettanza standard (WYSZECKI, STILES, 1982;
CHITTKA et al., 1994; CHITTKA, 1996). I metodi
spettrofotometrici, già utilizzati per valutare il colore
degli insetti, successivamente applicati ai fiori, consentono di generare una curva di riflettanza spettrale
che riporta per ciascuna lunghezza d’onda la percentuale di luce riflessa. Si tratta di tecniche che richiedono attrezzature specifiche, interfacciate con computer dedicati in cui i dati possano essere digitalizzati e conservati automaticamente in fogli di calcolo.
Studio dell’impollinazione delle Angiosperme
Come valutare il ruolo del colore di un fiore nell’attrazione degli impollinatori: il caso specifico delle api
Allo scopo di valutare come il colore di un fiore possa
attirare l’attenzione degli impollinatori, un passo
fondamentale è capire come essi percepiscono i
diversi colori. Per fare questo, è stato introdotto il
concetto di “disposizione spaziale dei colori” (colour
space), indicato anche come diagramma cromatico.
Si tratta di una rappresentazione grafica della percezione del colore di un animale in cui ciascun punto
ha come coordinate i colori; pertanto, lo specifico
posizionamento nello spazio è dipendente dalla capacità di distinguere quei colori da parte dell’animale
(WYSZECKI, STILES, 1982; CHITTKA, WASER, 1997).
Per molti anni, l’attenzione è stata concentrata sull’individuazione del diagramma cromatico che
meglio rappresenta la percezione dei colori nelle api.
I modelli più diffusi e più affidabili sono: il triangolo
dei colori (Colour triangle), la codifica dei colori
opponenti (COC – Colour Opponent Coding) e l’esagono dei colori (Colour Hexagon). Il triangolo dei
colori definisce uno spazio triangolare ai cui vertici si
trovano i tre fotorecettori di colore delle api tricromatiche (UV, blu e verde). Il centro acromatico del
triangolo è il punto in cui per definizione giace il
colore dello sfondo. I punti del perimetro sono quelli caratterizzati da due sole componenti di colore.
Ogni oggetto che si posiziona nel triangolo è caratterizzato da due coordinate che possono essere calcolate con apposite formule. Lo spazio COC per le api è
stato definito da MENZEL, BACKHAUS (1989) e
BACKHAUS (1991) con un approccio che tiene conto
non solo delle proprietà fisiche del colore, ma anche
di aspetti neurofisiologici e comportamentali dell’impollinatore. In particolare, questi autori considerano
che i segnali dei fotorecettori sono integrati per mezzo
di due tipi di processi, che chiamano dei colori opponenti e definiscono gli assi principali del diagramma.
Anche in questo caso sono definite alcune formule
per il calcolo delle coordinate degli oggetti da riportare nel grafico. Infine, l’esagono dei colori non è altro
che la proiezione di uno spazio di colori tridimensionale i cui assi corrispondono ai segnali dei fotorecettori dell’UV, blu e verde. Lo spazio esagonale è quindi diviso in 7 settori: UV-verde, UV, UV-blu, blu,
blu-verde, verde, incolore. In questo caso, non sono
fatte ipotesi di nessun tipo sui fenomeni neurofisiologici del cervello dell’impollinatore, ma il posizionamento di un punto in uno dei settori è definito da
una serie di equazioni che prendono in considerazione solo i segnali dei tre fotorecettori. Esistono in letteratura molti altri modelli che cercano di spiegare la
percezione del colore non solo nelle api ma anche in
altri animali, compreso l’uomo; per maggiori approfondimenti si rimanda a testi specializzati.
Attrazione olfattiva
Gli odori emessi dai fiori giocano un ruolo fondamentale nell’interazione piante/animali e possono
rappresentare segnali, in modo più o meno specializzato, della presenza di cibo, di un luogo sicuro in cui
105
deporre le uova oppure della possibilità di riprodursi. Il segnale olfattivo può essere percepito a lunga
distanza, nel caso di fiori molto profumati, oppure
può essere percepito appena nelle vicinanze del fiore,
nel caso di aromi molto leggeri. Il segnale olfattivo è,
nella maggioranza dei casi, connesso alla presenza di
una ricompensa nutrizionale. Infatti, la maggior
parte degli impollinatori visitano i fiori per raccogliere polline, nettare, olii e/o altri essudati. Si arriva
a livelli di specializzazione tali che nei fiori che offrono una ricompensa, la presenza di uno specifico
odore: a) fornisce l’identificazione della specie fiorita, b) indica il momento in cui si ha la massima disponibilità di polline, nettare e/o altri essudati, c) può
attrarre l’impollinatore verso fiori più vecchi che non
hanno più ricompense a disposizione, ma che sono
ancora recettivi (DOBSON, BERGSTRÖM, 2000;
RAGUSO, 2001). Quando la specializzazione è tale da
creare una sorta di fedeltà degli impollinatori nei
confronti di alcune specie di fiori, sono stati rilevati
sistemi che ottimizzano l’efficienza del processo di
impollinazione. I fiori che non offrono ricompense
di tipo nutrizionale agli impollinatori, possono
comunque emettere sostanze odorose che segnalano
la presenza di altri tipi di ricompense. Oltre ai casi in
cui i fiori producono odori che attraggono alcuni
insetti per la deposizione delle uova, ben noti sono
gli esempi di quelli che mimano la produzione di
feromoni sessuali emessi dalla femmina di alcuni
insetti in modo che il maschio, attratto dal segnale
sessuale ed aiutato da quello morfologico e visivo,
compia l’impollinazione nel tentativo di copulare. I
livelli di specializzazione arrivano al punto che alcuni fiori già impollinati variano l’emissione di sostanze volatili simulando l’odore di femmine di insetti
che si sono già accoppiate in modo da dirigere i
maschi verso fiori non ancora impollinati
(SCHIESTIL, AYASSE, 2001).
Il profumo può essere emesso da tutti gli organi fiorali, solo dai petali, oppure solo dagli antofilli fertili,
spesso associati a specifici tessuti ghiandolari, noti
come osmofori, in modo da creare specifici pattern
spaziali di aroma tra i diversi organi fiorali, comunemente indicati come “guide del profumo”. Anche il
polline emette specifici odori (DOBSON,
BERGSTRÖM, 2000). Il profumo può essere prodotto
e rilasciato continuamente durante la vita del fiore,
oppure può essere emesso in particolari momenti,
legati alla fertilità degli organi fiorali e talvolta collegati anche all’aumento della temperatura del fiore
(SEYMOUR, SCHULZEN-MOTEL, 1997).
Il profumo di un fiore può derivare dall’emissione di
un unico composto volatile oppure, più spesso, dalla
combinazione di centinaia di sostanze che variano a
seconda della specie e ne costituiscono il bouquet. I
composti responsabili degli odori dei fiori possono
essere classificati in diversi gruppi: derivati degli acidi
grassi, terpenoidi, benzenoidi, ecc. Esistono anche
fiori descritti come privi di odore. Tuttavia, non tutti
sono d’accordo sull’esistenza di fiori inodori: la mancata percezione dell’odore può essere semplicemente
dovuta all’applicazione di metodologie che utilizzano
106
tecnologie non abbastanza sensibili. Nella scelta della
metodologia per “misurare” l’odore di un fiore, bisogna quindi non solo tener conto del fatto che le
molecole responsabili dell’odore di un fiore possono
appartenere a diverse classi di composti chimici, ma
anche considerare le soglie di percezione degli strumenti utilizzati. Bisogna inoltre considerare che il
bouquet di sostanze volatili emesse dai fiori non varia
soltanto in funzione della specie: esiste infatti un’elevata variabilità tra parti fiorali di uno stesso fiore, tra
fiori diversi della stessa pianta, tra piante diverse di
una stessa popolazione e tra popolazioni diverse.
Risulta quindi di fondamentale importanza analizzare sempre un numero elevato di campioni di fiori in
modo da valutare anche eventuali differenze dovute
all’effetto di peculiari condizioni ambientali.
Di seguito sono riportati alcuni esempi di metodologie, e le problematiche ad esse associate, per verificare il ruolo di attrazione giocato dai profumi dei fiori,
con riferimento sia alle osservazioni del comportamento degli impollinatori, sia alle analisi chimiche
delle sostanze responsabili dell’odore.
Percezione dell’odore di un fiore: come studiare il comportamento dell’impollinatore
La valutazione del ruolo che l’odore di un fiore ha
nell’attrazione degli impollinatori è spesso resa difficile dall’interazione con altri stimoli, principalmente
quelli visivi (per es. colore, forma, grandezza). Le
metodologie utilizzate si basano sull’osservazione del
comportamento dell’impollinatore in risposta agli
stimoli olfattivi che possono essere proposti in
campo e/o in laboratorio su diversi tipi di materiali.
Per valutare la capacità di attrazione esercitata da un
fiore per mezzo dei soli stimoli olfattivi, si procede
generalmente racchiudendo i fiori in sacchetti di
carta non trasparente, con dei fori appositamente
disposti per permettere all’odore di espandersi in
tutte le direzioni. In genere, il volo a zigzag dell’insetto verso l’oggetto coperto è indice di attrazione
olfattiva. Quando invece, si vuole testare la capacità
attrattiva per mezzo dei soli stimoli visivi, è possibile
racchiudere ermeticamente i fiori in involucri trasparenti. L’esperimento si completa con lo studio del
comportamento dell’impollinatore verso fiori non
coperti in alcun modo. Confrontando il comportamento dell’insetto nelle varie condizioni, è possibile
valutare l’importanza relativa dei due tipi di stimolo.
Si tratta di esperimenti semplici da realizzare sia in
campo sia in laboratorio, che possono precedere analisi più specifiche (GALEN et al., 1987). Per studiare
quali organi fiorali sono attivi nell’attrazione degli
impollinatori, un’evoluzione di questo tipo di esperimenti può prevedere la rimozione di alcuni organi
fiorali in una determinata area naturale in modo da
osservare il comportamento degli insetti nei confronti dei fiori modificati rispetto a quelli normali
(DOBSON et al., 1999).
Altra metodologia prevede l’utilizzo di modelli di
fiori a cui applicare l’odore artificialmente. Questo
approccio, che può essere condotto sia in campo sia
ARONNE et al.
in laboratorio, offre il vantaggio di poter provare l’effetto di più di un composto volatile singolarmente
e/o di specifiche miscele di composti. Pur richiedendo che il modello utilizzato venga frequentemente
“ricaricato” di profumo, ulteriori vantaggi sono la
possibilità di poter combinare anche test per valutare l’effetto di altri stimoli e l’eliminazione di tutti i
problemi legati alla variabilità naturale dell’odore dei
fiori in natura (PELLMYR et al., 1990).
Spesso si utilizzano i test di preferenza in cui singoli
impollinatori sono posti contemporaneamente di
fronte a più di due campioni (sorgenti di stimolo
olfattivo) in modo da indurli a compiere delle scelte
(ANDERSSON, DOBSON, 2003). In questi esperimenti, il campione può essere rappresentato da fiori freschi, parti di fiori, polline, carta da filtro impregnata
di specifiche sostanze, oppure altri “oggetti” che sono
posti in tubi di vetro schermati con carta, in modo da
escludere gli stimoli visivi, e coperti da tessuto permeabile che possa far diffondere l’odore. Utilizzando
questo approccio sperimentale si deve comunque
tenere presente che le scelte possono essere influenzate da vari parametri tra cui l’età, il sesso e l’esperienza dell’impollinatore stesso. Se applicato in laboratorio, questo approccio risente del fatto che il comportamento dell’impollinatore in ambiente controllato può essere diverso da quello in ambiente naturale. L’utilizzo di tubi a forma di Y in cui l’impollinatore è posto di fronte ad un “bivio” rappresenta un
buon test quantitativo per valutare l’attrazione relativa esercitata da due sorgenti di odore (o da una sorgente di odore rispetto ad un controllo che ne è
privo). Questo metodo, generalmente applicato nel
caso di insetti di piccole dimensioni, può dare buoni
risultati anche se l’insetto può soltanto camminare
nel tubo in quanto non riesce a volare (TAKABAYASHI,
DICKE, 1992).
Più sofisticati sono gli esperimenti che prevedono lo
studio del comportamento in volo di insetti all’interno di gallerie del vento in cui possono essere poste,
oltre che sorgenti di determinati odori, anche sorgenti di altri tipi di stimolo. In questi esperimenti, le
condizioni di luce e velocità del flusso d’aria dovrebbero essere impostate quanto più vicine alle condizioni naturali. Anche in questo caso il volo a zigzag è
indice di attrazione olfattiva, mentre un volo apparentemente senza meta, intervallato da frequenti
interruzioni, è indice di mancanza di percezione di
stimoli olfattivi. Questo approccio è utilizzato principalmente nello studio del comportamento dei lepidotteri e di altri insetti che si orientano principalmente per mezzo di stimoli olfattivi anche a distanze
elevate (HAYNES et al., 1991; PLEPYS et al., 2002).
Ancor più complessi sono gli esperimenti di condizionamento (apprendimento associativo) che prevedono proprio una sorta di condizionamento dell’impollinatore a cui si cerca di insegnare preventivamente a riconoscere alcuni odori e collegarli a specifiche
ricompense. Questi esperimenti forniscono una
buona misura di quanto un insetto sia capace di
imparare a riconoscere composti volatili singoli
oppure in miscela. Gli stimoli olfattivi possono esse-
Studio dell’impollinazione delle Angiosperme
re combinati anche con altri stimoli in design sperimentali che prevedano test sempre più complessi. Si
tratta tuttavia di esperimenti che funzionano bene
con insetti che possono essere facilmente ammaestrati come le api da miele e i bombi (WALLER et al.,
1972; PHAM-DELEGUE et al., 1986).
Infine, un approccio più quantitativo prevede la
combinazione di tecniche gas-cromatografiche con
l’elettro-antennografia (GC-EAD). Si tratta di una
tecnica molto sofisticata che si basa sulle risposte
elettro-fisiologiche dell’insetto e che permette di
individuare con esattezza le componenti fisiologicamente attive tra tutte le molecole presenti nel bouquet (Fig. 4) (SCHIESTL, AYASSE, 2002; STENSMYR et
al., 2002; SALZMANN et al., 2007; STÖKL et al.,
2010). Tuttavia, poiché le sostanze che stimolano la
reazione dell’antenna dell’insetto non necessariamente corrispondono al segnale attrattivo, questo metodo deve essere utilizzato in combinazione con altri.
Fig. 4
Schema dell’identificazione di quelle componenti volatili
del fiore che stimolano una risposta da parte del pronubo,
attraverso l’utilizzo di tecniche gas-cromatografiche (GC)
abbinate a spettrometria di massa (MS) e ad elettro-antennografia (EAD).
Flow chart of the identification of the floral volatile compounds that elicit a response by the pollinator, using gas
chromatographic (GC) tecniques matched with mass
spectrometry (MS) and electroantennographic signals
(EAD).
107
Misura dell’odore di un fiore: i metodi analitici
La quantificazione dell’odore emesso da un fiore prevede tre momenti fondamentali: a) la localizzazione
delle parti fiorali che emettono le sostanze odorose,
b) la raccolta di tali sostanze, c) la loro analisi intesa
sia come identificazione dei principali composti chimici sia come valutazione della velocità con cui essi
sono emessi. Le varie fasi di lavoro, benché intuitive,
possono essere di difficile attuazione e controllo per
una serie di motivi. Prima di tutto, l’odore è generato da sostanze volatili che richiedono particolari
accorgimenti per essere campionate. Inoltre, la composizione chimica può variare in funzione degli organi fiorali, dello stadio fenologico e delle condizioni
ambientali. Di conseguenza, ogni sperimentazione
deve essere ben pianificata allo scopo di prevedere
più controlli e la giusta calibrazione degli standard da
utilizzare nelle diverse analisi. Anche se negli ultimi
anni si è assistito ad un significativo miglioramento
delle tecniche analitiche delle componenti volatili,
soprattutto per quanto riguarda riproducibilità e sensibilità, è sempre consigliabile applicare contemporaneamente più di un approccio.
Il primo passo per l’analisi degli odori fiorali riguarda l’individuazione delle parti che esalano le sostanze
volatili. Mentre in alcuni casi, è l’intero fiore ad
emettere odore, in altri casi ci possono essere tessuti
ghiandolari specializzati, gli osmofori, localizzati su
specifici organi. Un primo semplicistico, ma pur efficace, approccio per identificare le sorgenti di odore
prevede: la dissezione del fiore, la separazione e la
conservazione degli organi fiorali in provette da sigillare in modo da far accumulare l’odore, l’analisi
olfattiva sensoriale dello spazio di testa delle provette
da parte di un panel di volontari abituati a questo
tipo di valutazioni (D’ARCY et al., 1990). L’analisi
sensoriale dovrebbe essere ripetuta su più fiori per
comprendere la variabilità naturale. Metodo meno
soggettivo, è la colorazione delle parti fiorali dissezionate con rosso neutro, un colorante utilizzato in
istologia per mettere in evidenza i tessuti ghiandolari. In questo caso, bisogna stare attenti a valutare se
le parti che rispondono positivamente alla colorazione sono realmente tessuti ghiandolari poiché questo
colorante reagisce positivamente anche con il pollenkitt ed in generale con gli oli volatili che possono
essere presenti a livello di tutti i tessuti danneggiati.
Essendo inoltre un colorante solubile in acqua, tutti
i punti in cui l’epidermide è stata danneggiata
potrebbero dare origine a falsi positivi. Infine, il contrasto di colore non è facilmente apprezzabile nei
fiori di colore scuro.
Una volta individuate le parti fiorali che emettono
sostanze odorose, queste devono essere concentrate e
campionate. Si possono utilizzare camere di vario
materiale (per es. vetro silanizzato, plexiglas, teflon,
ecc.), che vengono generalmente indicate come
camere per lo spazio di testa (headspace chambre), in
cui le sostanze volatili possono essere concentrate con
metodi statici o dinamici. Nel primo caso, una volta
raggiunto l’equilibrio tra le emissioni fiorali e lo spa-
108
zio di testa della camera, l’aria viene aspirata direttamente con una siringa o viene adsorbita attraverso
una fibra a microestrazione in fase solida (solid-phase
microextraction - SPME) per le successive analisi gascromatografiche. Con queste tecniche, i tempi ottimali per il raggiungimento dell’equilibrio nello spazio di testa e per l’esposizione delle fibre dovrebbe
essere determinato sperimentalmente per ciascun
fiore o parte fiorale analizzata. I metodi dinamici
prevedono invece il passaggio dell’aria attraverso
contenitori in cui sono inseriti fiori/parti fiorali,
parti vegetative, oltre che controlli con sola aria, collegati tra loro e ad una pompa da vuoto in modo specifico per creare correnti d’aria alla velocità desiderata, che permettono l’adsorbimento delle componenti fiorali volatili su speciali cartucce equipaggiate con
polimeri assorbenti. Anche in questo caso, le sostanze volatili desorbite dalle cartucce sono sottoposte a
gas-cromatografia. [Per i dettagli su queste tecniche,
su vantaggi e svantaggi dei diversi materiali adsorbenti e sui solventi per l’eluizione delle sostanze volatili catturate, si rimanda a pubblicazioni specializzate
tra cui: AGELOPOULOS, PICKETT (1998) e RAGUSO,
PELLMYR (1998)].
La caratterizzazione delle componenti volatili raccolte è infine eseguita attraverso gas-cromatografia
che consente di ottenere cromatogrammi dalla cui
analisi si possono separare i picchi delle diverse
sostanze ed ottenere anche informazioni quantitative attraverso il confronto con standard interni. Con
questa tecnica, i campioni derivanti dalla stessa specie, o in generale da uno stesso campionamento,
dovrebbero essere analizzati durante la stessa sessione di lavoro per minimizzare eventuali errori riconducibili a variazioni di sensibilità delle apparecchiature utilizzate. Allo stesso tempo, bisognerebbe analizzare anche campioni di parti vegetative, o semplicemente di aria, allo scopo di utilizzare i relativi cromatogrammi per escludere il rumore di fondo o picchi di eventuali contaminanti presenti. Una volta
separati i picchi con tecniche cromatografiche,
sarebbe desiderabile anche identificarli per mezzo di
sistemi più o meno complessi che sono capaci di
individuare sostanze note. Nel caso però di sostanze
volatili non ancora note, le analisi gas-cromatografiche devono essere accompagnate dalla spettrometria
di massa (ADAMS, 2001).
Analisi delle componenti volatili di un fiore: elementi di
variabilità
L’odore dei fiori è dato da migliaia di componenti
volatili diverse. Basti pensare che i risultati delle analisi condotte dal 1966 al 2001 sulle componenti
volatili emesse da fiori di 930 taxa hanno evidenziato circa 1550 composti differenti. La maggior parte
di essi appartiene a tre classi principali: composti alifatici, benzenoidi e terpenoidi. Alcuni composti contengono anche azoto e zolfo. Lo studio di queste
componenti volatili è reso complesso dall’incredibile
variabilità che si può osservare in natura tra fiori di
specie diverse e dall’altrettanto elevata variabilità che
ARONNE et al.
esiste tra fiori diversi nell’ambito di una stessa specie
o addirittura della stessa pianta. Considerata questa
variabilità, è fondamentale eseguire le analisi su un
numero di campioni rappresentativo dell’intera
popolazione. Soprattutto negli studi di tipo comparativo, affinché i risultati siano affidabili, è importante standardizzare sia i metodi di campionamento
sia le procedure analitiche delle componenti volatili.
Conoscere quali sono le fonti di variabilità può aiutare ad eseguire il campionamento in modo appropriato allo scopo di evitare di introdurre errori nella
valutazione.
Una prima fonte di variabilità è legata alle differenze
nell’emissione degli odori tra fiori ancora attaccati alla
pianta e quelli recisi, anche se le opinioni sull’entità di
eventuali differenze sono spesso contrastanti
(MOOKHERJEE et al., 1990; LOUGHRIN et al., 1993).
Per quanto riguarda la variabilità interna al fiore, le
componenti volatili dovrebbero essere raccolte sia da
fiori interi, sia dai singoli organi dopo aver dissezionato il fiore stesso. In questo caso, si potrebbero
apprezzare eventuali differenze sia qualitative che
quantitative tra le differenti parti fiorali. È noto infatti che molte specie che attraggono gli insetti per
mezzo di ricompense presentano l’androceo ed il polline stesso che emettono in modo differente rispetto
alle altre parti fiorali (DOBSON, BERGSTRÖM, 2000).
Relativamente alla variabilità tra fiori all’interno della
stessa pianta, essa è dovuta ad una serie di fattori tra
cui l’età del fiore, la posizione all’interno di eventuali
infiorescenze, ma anche la maturità sessuale e lo stato
di impollinazione (SCHIESTL, AYASSE, 2001). Infine,
alcune specie presentano anche una sorta di ciclicità
con cui emettono le sostanze odorose, regolata da fattori ambientali come fotoperiodo, temperatura e disponibilità idrica oppure dai ritmi circadiani
(HANSTED et al., 1994; HELSPER et al., 1998).
Ruolo dello studio del comportamento dell’impollinatore
Nello studio delle interazioni tra fiore ed insetto
impollinatore, per una valida impostazione delle
prove sperimentali e per la corretta interpretazione
dei risultati ottenuti, è necessario un approccio interdisciplinare che dia ampio spazio alle conoscenze del
comportamento dei pronubi coinvolti. I principi alla
base dei test di comportamento degli impollinatori si
fondano essenzialmente su risposte neuro-fisiologiche di individui, dei quali dovremmo già in parte
conoscere il ciclo biologico e possibilmente i comportamenti legati all’acquisizione delle risorse. Sia nel
caso di impollinatori per i quali esiste una ben documentata letteratura, sia per quelli meno noti, bisogna
tenere presente che ogni specie di insetto ha caratteristiche comportamentali proprie ed un modo specifico di interagire con i fiori, che dipendono da numerosi fattori intrinseci ed estrinseci. Alcuni di questi,
come ad esempio i bisogni nutrizionali e la distribuzione spaziale e temporale delle risorse, possono essere molto diversi se l’impollinatore è: a) un’ape da
miele, ovvero una specie sociale la cui ricerca di cibo
è un’attività di collaborazione tra più individui
Studio dell’impollinazione delle Angiosperme
(CALDERONE, JOHNSON, 2002; GOULSON et al.,
2007); b) un’ape solitaria, in cui ogni femmina è
individualmente responsabile sia della ricerca di cibo
sia di altre attività legate alla propria riproduzione
(GIOVANETTI, LASSO, 2005; LARSSON, FRANZÉN,
2007); c) un lepidotttero o un dittero che cercano
cibo per la propria sopravvivenza. Altri fattori invece,
come habitat, condizioni di illuminazione, temperatura ed umidità dell’aria, possono determinare effetti simili su specie diverse di impollinatori (WILLMER,
STONE, 1997; BORREL, MEDEIROS, 2004; BEIL et al.,
2008). Un altro fattore che può influenzare gli
impollinatori di una data specie, e la loro efficienza,
è la competizione per la medesima risorsa
(GIOVANETTI et al., 2006; GREENLEAF, KREMEN,
2006).
Nel caso in cui tra i visitatori vi siano quegli imenotteri sociali che si prestano alla manipolazione sperimentale, gli studi possono essere approfonditi ulteriormente, come descritto in precedenza. I comportamenti osservati in impollinatori studiati in ambiente controllato, come ad esempio gabbie e camere di
crescita, non necessariamente corrispondono a quelli
che si avrebbero in condizioni naturali. Tuttavia, le
osservazioni in ambiente controllato offrono il vantaggio di poter separare ed analizzare singolarmente
stimoli di diverso tipo. Alcuni insetti, tra cui api da
miele e bombi, dopo la visita, lasciano una marcatura che interferisce con le sostanze volatili emesse dal
fiore interferendo sulla percezione dell’odore da parte
del visitatore successivo (GOULSON, 2000): questo
può costituire un problema, per esempio, nell’interpretazione di dati raccolti in campo. Un altro aspetto da non trascurare riguarda le abilità di apprendimento. Ciascun individuo dovrebbe essere sottoposto ad un solo esperimento in quanto le informazioni apprese durante la prima esperienza potrebbero
influenzare il risultato dei test successivi. È pertanto
sempre più diffuso l’uso di individui senza esperienza pregressa, naïve, (per es. LUNAU et al., 1996).
Nell’interpretazione dei dati di esperimenti con
insetti catturati in campo si deve quindi tenere sempre presente che non si può sapere se lo stesso individuo ha già maturato precedenti esperienze. Infine,
anche nell’ambito di una stessa specie esiste una certa
variabilità nel comportamento di individui diversi; di
conseguenza nei test un campione significativo non
dovrebbe contare meno di 10-30 individui.
Uno studio sull’interazione fiore-insetto impollinatore dovrebbe: a) identificare i visitatori e accertare
sperimentalmente il successo della loro visita, in termini di efficienza di trasferimento del polline e b)
conoscere la tipologia di interesse dell’impollinatore
nei confronti del fiore (per es.: se procura cibo per sé
o per la progenie, raccoglie nettare e/o polline) per
meglio interpretare dati quali frequenza delle visite,
abilità manipolativa del fiore, costanza fiorale. Infine
i risultati dovrebbero essere inseriti in un contesto
più ampio che valuti l’importanza dell’ interazione
tra pianta e impollinatore per la sopravvivenza a
medio e lungo temine di una o entrambe le specie
(GIOVANETTI et al., 2007).
109
In conclusione, è evidente che lo studio del complesso processo di impollinazione non può limitarsi alla
descrizione dei fenomeni osservati, ma deve ricorrere
sempre ad un approccio di tipo sperimentale. Inoltre,
sia nella fase di pianificazione degli esperimenti sia in
quella di interpretazione dei dati raccolti, si deve
affrontare il processo nella sua complessità e prendere in esame i diversi aspetti con un approccio interdisciplinare, possibilmente utilizzando sistemi di tipo
olistico.
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RIASSUNTO - Come per altri sistemi complessi, il processo di impollinazione non può essere spiegato esclusivamente tramite la somma delle sue componenti. Pertanto,
lo studio analitico dei diversi aspetti deve essere affrontato
con il metodo sperimentale, ma svolto con un approccio
interdisciplinare e possibilmente olistico. Nel testo si
riporta una breve storia degli studi sull’impollinazione ed
una ampia sintesi dell’attuale approccio scientifico utilizzato per studiare i sistemi di trasporto del polline anemofilo ed entomofilo. Si descrivono le metodologie esistenti
per valutare con test sperimentali il ruolo del vento nel trasporto del polline e le caratteristiche dei fiori nel fenomeno di attrazione degli insetti. Particolare attenzione è rivolta ai metodi sviluppati per stimare forme, colori e odori
dei fiori, sottolineando l’importanza di comprendere i
processi cognitivi di base messi in atto dagli impollinatori.
Questa sintesi, pur non occupandosi di tutti gli aspetti
analizzabili in quest’ampia tematica, vuole essere uno stimolo ad affrontarla sperimentalmente, tenendo presente
che l’intrinseca complessità pone importanti limiti di cui
bisogna esser consci. Per questa ragione, si enfatizzano
aspetti spesso sottostimati il cui studio coinvolge altre
discipline quali la fisica, la chimica, l’anatomia, la neurobiologia e l’etologia; infine si sottolinea l’importanza della
collaborazione interdisciplinare per ottenere una visione
d’insieme.
AUTORI
Giovanna Aronne, Veronica De Micco, Manuela Giovanetti, Dipartimento di Arboricoltura, Botanica e Patologia Vegetale,
Università di Napoli Federico II, Via Università 100, 80055 Portici (Napoli)
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