Fondamenti metabolici e fisiologici in ambito agrario

A.A. 2020/2021
10
Crediti massimi
88
Ore totali
SSD
AGR/13 AGR/16
Lingua
Italiano
Obiettivi formativi
L'Insegnamento si propone di:
- fornire agli studenti le conoscenze di base relative ai processi biochimici e fisiologici fondamentali delle piante superiori, con l'obiettivo generale di comprendere i meccanismi maggiormente coinvolti nella determinazione della produttività delle specie coltivate, anche in ambienti sfavorevoli;
- fornire le nozioni fondamentali riguardanti la Microbiologia Agrario-Ecologica e le tecniche microbiologiche di base per l'analisi di campioni ambientali e alimentari.
Tali competenze saranno acquisite sia mediante lezioni frontali ed esercitazioni in classe riguardanti la risoluzione di problemi di biochimica, sia mediante esercitazioni di laboratorio inerenti analisi biochimiche e microbiologiche atte a definire la qualità di prodotti agro-alimentari.
Risultati apprendimento attesi
Lo studente acquisirà la conoscenza dei meccanismi che regolano le trasformazioni energetiche e della materia negli organismi vegetali e nei microrganismi, e dei fattori biochimici e fisiologici alla base della produttività in ambito agro-alimentare, anche in ambienti sfavorevoli. Al termine dell'Insegnamento, le conoscenze acquisite saranno utili per affrontare problemi pratici in un contesto agrario, anche tramite l'applicazione di tecniche biochimiche e microbiologiche di base per l'analisi di campioni agro-alimentari. La partecipazione ad esercitazioni in classe, a prove di laboratorio, e la modalità di esame, orale o scritto con domande aperte, concorreranno a sviluppare le abilità di comunicare e traferire le conoscenze acquisite. Inoltre, l'utilizzo di strumenti di studio diversificati (manuali, materiale on line messo a disposizione dai Docenti, appunti personali, risorse in rete) contribuirà a sviluppare la capacità di reperire autonomamente informazioni e spunti utili alla futura attività lavorativa.
Programma e organizzazione didattica

Edizione unica

Responsabile
Periodo
Primo semestre
Le lezioni a distanza si svolgeranno su Microsoft Teams in modalità sincrona, negli orari stabiliti, e saranno registrate e consultabili sulla piattaforma stessa in modalità asincrona. Le informazioni su come accedere alle lezioni su Microsoft Teams e le altre istruzioni sulla didattica saranno caricate sul sito ARIEL del corso: si raccomanda di consultarlo regolarmente. Nel caso in cui, tenuto conto dell'evoluzione dell'epidemia e del rispetto delle pertinenti normative, dovesse essere possibile svolgere attività in presenza in aula, gli studenti ne saranno prontamente informati tramite ARIEL. In ogni caso le lezioni saranno registrate e consultabili online. Le lezioni potrebbero anche includere materiali pre-registrati.
Programma
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.
Prerequisiti
La comprensione dei contenuti dell'Insegnamento non può prescindere dall'aver assimilato, dai relativi precedenti Insegnamenti, le conoscenze fondamentali di Biologia Vegetale, Fisica, Chimica Inorganica e Chimica Organica. Tali prerequisiti si applicano sia agli studenti frequentanti sia ai non frequentanti.
Metodi didattici
L'Insegnamento si avvale di materiale didattico e-learning presente sulla piattaforma Ariel (diapositive Power Point).
I docenti utilizzeranno: a) lezioni frontali; b) esercitazioni in aula e nel caso di Microbiologia anche in laboratorio disciplinare.. Tutte le attività concorreranno al raggiungimento dei Risultati di Apprendimento Attesi (cfr. paragrafo dedicato).
La frequenza all'Insegnamento è fortemente consigliata.
Materiale di riferimento
U.D. 1
Nelson D., Cox M. "Introduzione alla biochimica di Lehninger", Zanichelli (U.D. 1, Biochimica).
Pinton et al., Fondamenti di Biochimica Agraria, Patron Editore, Bologna (U.D. 1 , Biochimica).
D'Andrea G. Biochimica Essenziale EdiSES (U.D. 1, Biochimica)).
N. Rascio, "Elementi di Fisiologia Vegetale", Edises (U.D. 1, Fisiologia Vegetale).
R.F Evert, S.E Eichhorn, Biologia delle piante di Raven, Zanichelli (U.D. 1, Biochimica e Fisiologia Vegetale).
Appunti delle lezioni dell'Insegnamento. Copia delle slides mostrate a lezione saranno messe a disposizione degli studenti del CdS nel sito dedicato Ariel 2.0 di UniMi.

U.D. 2
Testo adottato: B. Biavati e C. Sorlini, 2012: Microbiologia generale e Agraria. Vol. 1, Casa Editrice Ambrosiana, Milano.
E' disponibile sul sito http://ariel.unimi.it (Prof.ssa R. Zanchi) una dispensa di Microbiologia Generale con photogallery, oltre a materiale per le esercitazioni, completato da mini video. Sono inoltre disponibili files con tutte le slides proiettate durante le lezioni e con dispense di microbiologia alimentare ed ecologica.
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
Lo studente deve dimostrare capacità di elaborare i contenuti dell'Insegnamento corso integrandoli con quelli degli Insegnamenti precedenti. Rispetto ad altri Insegnamenti del CdS non c'è nessuna propedeuticità obbligatoria. Tuttavia, il superamento degli esami del primo anno (Biologia Vegetale e Animale, Fisica, Chimica Generale e Inorganica e Chimica Organica) è fortemente raccomandato prima di affrontare la preparazione all'esame.
PREMESSA: la conoscenza e la comprensione degli argomenti svolti nel corso dei primi 3.25 CFU dell'U.D. 1 dell'Insegnamento sono indispensabili ai fini della comprensione degli argomenti svolti successivamente, inerenti sia la Fisiologia Vegetale (ultimi 2.75 CFU dell' U.D. 1) sia la Microbiologia Agraria (4 CFU, U.D. 2).
In questa logica, ed anche per facilitare la preparazione all'esame, l'accertamento delle conoscenze acquisite dallo studente, che deve considerare la totalità degli argomenti trattati a lezione, avverrà tramite tre prove orali distinte, che si svolgeranno con le modalità di seguito descritte. In generale, le risposte saranno valutate sulla base di parametri quali la capacità di organizzare discorsivamente la conoscenza, la qualità dell'esposizione, la competenza nell'impiego del lessico tipico degli argomenti studiati.
1a prova (Elementi di Termodinamica e Biochimica): un colloquio orale, che comprenderà tipicamente due domande relative agli argomenti di principi di bioenergetica e biochimica.
IL SUPERAMENTO DI QUESTA PRIMA PROVA È IRRINUNCIABILE PER POTER AFFRONTARE LE 2 PROVE SUCCESSIVE.
2a prova (Microbiologia Agraria): un colloquio orale, che comprenderà tipicamente quattro domande: due di microbiologia generale (riguardanti anche le tecniche di analisi microbiologica) e due di microbiologia agraria-ecologica nelle quali lo studente dovrà dimostrare la capacità di elaborare i contenuti del corso per affrontare problematiche di natura agro-ambientale in maniera interdisciplinare.
3a prova (Elementi di Fisiologia Vegetale): un colloquio orale, che comprenderà tipicamente due domande relative agli argomenti trattati
Le modalità di verifica, sulla base degli argomenti oggetto del programma, saranno identiche per studenti frequentanti e non frequentanti.
La votazione finale risulta dalla media ponderata del punteggio conseguiti rispetto ai CFU delle due Unità Didattiche.
Gli esami si svolgeranno presso la sede di Edolo se gli studenti iscritti saranno almeno 5; diversamente, si svolgeranno presso la sede della Facoltà di Scienze Agrarie ed Alimentari, via Celoria 2, Milano. La sede definitiva per ogni prova di esame sarà dunque comunicata agli studenti iscritti (iscrizioni on-line) per e-mail alla chiusura delle iscrizioni, cioè di norma due giorni prima dell'appello. Si raccomanda pertanto agli studenti di consultare regolarmente la propria casella e-mail istituzionale (nome.cognome@studenti.unimi.it) e le bacheche dei siti Ariel 2.0. Gli studenti iscritti ad un appello d'esame che non desiderino più sostenerlo sono tenuti quindi, qualora l'accesso al sistema on-line risulti chiuso, a darne tempestiva comunicazione ai Docenti. In caso di inadempienza, lo studente non sarà ammesso a presentarsi all'appello successivo.
Studenti DSA: per poter usufruire degli strumenti dispensativi e compensativi previsti è necessario aver consegnato al Servizio Disabili e DSA di UniMI (Serv. Interventi Assistenza, Integrazione Sociale, Diritti Persone Handicap; http://www.unimi.it/studenti/serviziodisabiliedsa.htm) l'opportuna certificazione. Il referente DSA per il CdS è la Prof.ssa Raffaella Zanchi (raffaella.zanchi@unimi.it). È indispensabile che gli studenti DSA concordino tempestivamente (almeno 15 gg prima) con il singolo Docente le modalità di esame ed il materiale ammesso a sostegno (ad esempio schemi logici o tabelle).
Durante l'anno saranno a calendario almeno 6 appelli per ognuna delle tre parti d'esame, distribuiti in accordo con il calendario delle attività didattiche e le settimane di interruzione della didattica. Si ricorda agli studenti che non sono previsti appelli nei periodi di attività didattica. Solo per gli studenti Fuori Corso, sulla base di specifiche e documentate esigenze e previo accordo con i Docenti, si potranno attivare appelli d'esame aggiuntivi, orientativamente presso la Sede di Milano.
Eventuali informazioni aggiuntive sulle modalità d'esame saranno illustrate dai rispettivi Docenti durante lo svolgimento dell'Insegnamento.
IN RELAZIONE AI POSSIBILI SVILUPPI DELL'EMERGENZA SANITARIA IN ATTO E IN OTTEMPERANZE ALLE NORME DI SICUREZZA DEFINITE GLI ESAMI POTRANNO TENERSI IN MODALITÀ' A DISTANZA TRAMITE LA PIATTAFORMA MICROSOFT TEAMS. IN TAL CASO GLI STUDENTI SARANNO TEMPESTIVAMENTE AVVISATI TRAMITE LA BACHECA DEI SITI ARIEL 2.0 DEI DUE DOCENTI.
Moduli o unità didattiche
Biochimica e fisiologia vegetale
AGR/13 - CHIMICA AGRARIA - CFU: 0
AGR/16 - MICROBIOLOGIA AGRARIA - CFU: 0
Lezioni: 48 ore

Microbiologia agraria
AGR/13 - CHIMICA AGRARIA - CFU: 0
AGR/16 - MICROBIOLOGIA AGRARIA - CFU: 0
Laboratori: 16 ore
Lezioni: 24 ore

Docente/i
Ricevimento:
Tutti i giorni previo appuntamento telefonico o con e-mail
Ufficio presso Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali - Produzione, Territorio, Agroenergia
Ricevimento:
Tutti i giorni, previo appuntamento
via Mangiagalli 25, terzo piano, stanza n.3025