G. Zipoli - Misura e previsione della radiazione ultravioletta in Italia

1. UV radiation above a canopy
R.H. Grant, 1997 Int. J. Biometeorol
UV-B/PAR vs solar elevation angle
5
UV-B/PAR (%)
The UV-B/PAR ratio is
influenced by solar
elevation angle (that
affects much more UV-B
than visible): fall has
lower values than
summer as well as
morning and afternoon
compared to midday.
Similarly cloudiness tends
to reduce this ratio
Grifoni et al., 2008 Int. J. Biomet.
UV-B/PAR (Diffuse)
4
UV-B/PAR (Global)
3
2
1
0
60
90 120 150 180 210 240 270 300 330
Solar azimuth (°)
UV-B/PAR ratio was
significantly higher in
diffuse than in full
radiation
1. UV radiation above a canopy
L’elevazione del Sole ha un
effetto rilevante sulla RUV e
influenza in modo selettivo sia
la componente UV-B che
quella UV-A.
340 nm
Minore è la lunghezza d’onda
piu’ intensa è l’attenuazione
dovuta all’atmosfera.
290 nm
La rad. Solare nel visibile è
ancora meno attenuata di
quella UV
Paul and Gwynn-Jones, in
TRENDS in Ecology and Evolution Vol.18 No.1 January 2003
1.2 UV radiation below/within a canopy
Deckmyn et al., 1998 and 2001 Plant Ecology
UV transmission through the
canopy
• In pieno sole la
trasmissione dell’ UV-B è
molto piu’ alta che nel
PAR. Ciò è
principalmente dovuto
alla maggiore
proporzione della
componente diffusa
nell’UV-B rispetto al PAR
• In presenza di nuvolosità
non si notano differenze
tra UV-B e PAR.
Gli effetti sulla vegetazione
In funzione della diversa localizzazione dei
fotorecettori nelle specie planofile rispetto
a quelle erettofile, in una canopy il profilo
del rapporto UV-B/PAR può modificare
sensibilmente la competizione tra le
specie vegetali e la loro distribuzione
I regimi della radiazione UV e
PAR su superfici non orizzontali
Comparison between UV radiation incident on
opposite sides of the grapevine walls
5 August
SITE B
UV-A
mattinaUV-A
UV-B
UV-B
East side
UV-A (W m -2)
40
30
3
East
Wpomeriggio
est
East
W est West side 2
20
1
10
0
60
110
160
210
0
310
260
Solar azimuth (°)
UV-B/PAR ratio diurnal trend
West side
2
In the shaded portion
of the grapevine
walls the UV-B/PAR
ratio
is
higher
respect than in full
sun. Also UV-B/UV-A
ratio is higher, but
with lower relative
differences.
UV-B/UV-A ratio diurnal trend
14
UV-B/PAR East
UV-B/PAR W est
East side
1
UV-B/UV-A (%)
3
UV-B (W m -2)
60
50
E
UV-B/PAR (%)
W
UV-A and U-VB diurnal trend
12
UV-B/UV-A East
UV-B/UV-A W est
West side
10
East side
8
6
4
2
0
0
60
110
160
210
Solar azimuth (°)
260
310
60
110
160
210
Solar azimuth (°)
260
310
2. Weighting functions
Dalla misura fisica della
radiazione UV al suo significato
biologico
In altre parole l’importanza del
cosiddetto “spettro d’azione”
2. Weighting functions
Gli spettri d’azione e la
radiazione UV
biologicamente efficace
Uno spettro d’azione è una funzione matematica A( )
dipendente dalla lunghezza d’onda che esprime
l’efficienza relativa della radiazione UV nel produrre un
determinato effetto biologico.
Integrando su tutta la banda dell’UV la radiazione S( )
pesata per quel determinato spettro d’azione si ottiene la
Radiazione UV Biologicamente Efficace (UVBE, Wm-2 ):
UVBE =
400
280
S (λ ) A(λ )dλ
Spectral irradiance
un spettro della RUV
Per quantificare la Ottenere
quantità
di UVR e
incidente
definire il suo possibile effetto biologico
Si deve procedere attraverso questi passaggi:
1.00E-01
1.00E-02
CIE action spectrum
1.00E-03
1.00E-04
290
07.30
UTC 72° SZA
1
11.00 UTC 49° SZA
310
relative effectiveness
Irradiance (W/m2/nm)
1.00E+00
330
0.1
350
370
Applicare lo specifico spettro d’azione
Per il processo biologico studiato
390
0.01 (nm)
wavelenght
CIE action spectrum
0.001
0.0001
290
310
330
350
370
390
Erythema UVbe irradiance
wavelenght (nm)
11.00 UTC 49° SZA
4.00E-03
7.30 UTC 72° SZA
3.00E-03
2.00E-03
1.00E-03
wavelenght (nm)
398
389
380
371
362
353
344
335
326
317
308
299
0.00E+00
290
Calcolare la dose UV “efficace”
In quel momento (Wm-2)
UVbe irradiance
(W/m2/nm)
6.00E-03
5.00E-03
UVbe ery
1.00E-01
2.00E-02
10
00
11
00
11
30
12
30
13
30
14
30
15
30
16
30
90
0
0.00E+00
80
0
Integrare nel tempo ( giorno) per ottenere
La dose di esposizione (KJm-2day-1)
6.00E-02
4.00E-02
70
0
W/m2
8.00E-02
Hours
Gli spettri d’azione possono essere
influenzati da:
Farrori Biologici:
– Variabilità delle specie e genotipi
– Adattamento individuale
– Influenza dell’alimentazione/farmaci
Fattori Fisici:
-accuratezza degli strumenti
(radiometri/spettroradiometri) usati per misurare
la RUV durante la determinazione dello spettro
d’azione
-tipo e geometria della sorgente di radiazione
-spectral band-pass accuracy
Alcune fonti di errori nella
determinazione de uno spettro
d’azione
•
•
•
•
Approccio usato
Sorgente di radiazione
Metodologia
Interpolazione
Come si ottengono gli spettri d’azione
•
•
L’approccio: in vivo, in vitro or in situ.
La sorgente di luce può essere monocromatica o
policromatica. Molto importante quando l’effetto è di tipo sinergico
piuttosto che additivo: una serie di esposizioni con luce monocromatica a
varie lunghezze d’onda NON produce lo stesso effetto di un’esposizione
contemporanea all’intera banda dall’UV al visibile.
•
La metodologia In molti casi lo spettro d’azione è stato
determinato direttamente in altri come nel caso di quelli che
riguardano la salute umana sono stati “usati” animali da laboratorio.
L’adattamento di tali risultati all’uomo avviene per esempio
cambiando o aggiungendo uno specifico parametro , come per
esempio la trasmittanza della pelle umana.
Interpolazione:
Gli spettri d’azione sono derivati a certe
lunghezze d’onda. Ma i modelli di calcolo
delle dosi biologicamente efficaci lavorano a
risoluzioni spettrali molto piu’ elevate. Ciò
evidenzia un altro importante punto critico
rappresentato dall’interpolazione. Quella
lineare può funzionare bene solo quando la
pendenza della curva non è troppo alta. Ma
se la natura di un effetto è di tipo logaritmico
piuttosto che lineare un’interpolazione
lineare può essere fonte di rilevante errori.
2. Weighting functions
Effect of weighting UV irradiance
Spectral irradiance in Rome
July 15th
wavelenght (nm)
wavelenght (nm)
UV irradiance (Wm-2)
Un-weighted
SZA
(deg )
56.70
time
UTC
7.00
20.30
11.15
Relative difference
Erythema
waveband
290-400 nm
26.3
56.3
0.052
0.208
2.1
4.0
400
390
390
380
370
370
350
360
330
350
310
340
0.0001
330
1.0E-10
320
0.001
1.0E-08
56.7° SZA
310
1.0E-06
0.01
20.3° SZA
300
1.0E-04
1.80E-02
1.60E-02
1.40E-02
1.20E-02
1.00E-02
8.00E-03
6.00E-03
4.00E-03
2.00E-03
0.00E+00
290
56.7° SZA
20.3° SZA
Eryt CIE
2
0.1
1.0E-02
290
*
1.0E+00
nm)
1
irradiance (W/m
irradiance (W/m2 * nm)
1.0E+02
Erythemal irradiance in Rome
July, 15th
2. Weighting functions
Effect of weighting UV irradiance
Mid-July daily dose for clear
(KJm-2)
sky in Rome
290-400 nm band
290-320 nm band
General. plant damage (ends 313)
Erythema (ends 400)
1642
79.4
6.1
4.8
Weighting the incoming UV irradiance reduces (of
orders of magnitude) the daily dose respect to unweighted dose
2. Weighting functions
Even “small” differences in action spectrum may
produce large differences in the UVbe doses
Action spectrun vs. wavelenght
relative effectiven ess
10
1
Erythema CIE
0.1
NMSC CIE
0.01
0.001
0.0001
280
300
320
340
360
380
Rome July, 15th
11.15UTC 20.3°SZA
400
UVbe dose rate:
NMSC=0.553 W/m2
Erythema=0.208 W/m2
Ratio N/E= 2.6
irradiance (W/m
2
*
nm)
w avelenght (nm)
6.00E-02
5.00E-02
4.00E-02
Erythema
3.00E-02
NMSC
2.00E-02
1.00E-02
0.00E+00
280
300
320
340
360
wavelenght (nm)
380
400
2. Weighting functions
Action Spectra founded in our study
Action Spectrum
Occurrences
Frequency
(%)
188
78.0
DNA (Setlow 1974)
23
9.5
Erythema (CIE parameterization)
15
6.2
Growth response of plants (Flint and Caldwell 2003)
11
4.6
Plant damage (Coohill 1989)
9
3.7
Cumestrolo formation (Beggs et al. 1985)
2
0.8
1
0.4
Stomatal closure (Negash & Bjorn 1986)
1
0.4
Generalized Plan Damage (Tevini 1994)
1
0.4
Flavonol accumulation in Mesembryanthemum (Ibdah M et al. 2002)
1
0.4
Photoconjunctivitis (CIE 1986a)
1
0.4
Photokeratitis (CIE 1986b)
1
0.4
Actinic hazard (IRPA 1989)
1
0.4
Generalized plant action spectrum (Caldwell 1971)
Cotiledon curling in Brassica Napus and Arabidopsis Thaliana (Gerhardt
KE et al. 2005)
2. Weighting functions
Some of the action spectra more cited in the
literature on UV effects on vegetation
Action spectra
Caldwell 1974
Relative effectiveness
10
Flint $ Caldwell, 2003
1
CIE
Setlow 1974
0.1
0.01
0.001
0.0001
280
300
320
wavelenghts (nm)
340
360
La scelta dello spettro d’azione ha
effetti su:
• La quantificazione della dose UVbe
• La valutazione del RAF (Radiative
Amplification Factor)
• I risultati degli esperimenti di
arricchimento/attenuazione condotti per
studiare gli effetti della RUV sulle piante
• La climatologia della radiazione UVbe
2. Weighting functions:
UVBE doses
Relative effectiveness
Plant growth damage action spectra
10
Gen. Plnt Dam.
Caldwell et al. '
71
1
Flint and Caldwell,
2003
0.1
0.01
0.001
280
300
320
340
360
wavelenght (nm)
380
400
2. Weighting functions: UVBE doses
Effetto sulla dose giornaliera
2
Caldwell 1971
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
79.5
74.7
69.4
64.4
59.9
56
52.8
50.5
49.2
48.8
49.7
51.5
54.2
57.7
61.9
66.6
71.7
Flint & Caldwell 2003
77
W/m 2
UVbe dose rates (W/m ) at Rome
on March, 3rd
SZA (degrees)
Daily dose of UVbe (kJm-2)
Caldwell,1971 Flint & Caldw,2003
1.38
16.81
2. Weighting functions: R A F
Effetto sul RAF
(Radiative Amplification Factor)
Madronich et al, J. PhotochemPhotobiol. B,1998
2. Weighting functions Effetto sul RAF
(Radiative Amplification Factor)
1. A.F. McKinlay and B.L. Diffey, 1987
4. S.D. Flint and M.M. Caldwell, Physiol. Plant., 2003
2. F.R. de Gruijl et al., Cancer res., 1993
6. R.B. Setlow. Proc. Natl. Acad. Sci., 1974
3. J.A. MacLaughlin et al., Science, 1982
10. M.M. Caldwell et al., 1986
McKenzie, et al., Phochem and Photobiol. Sci., 2004
3. Variability of UVBE
3. Variabilità della radiazione
UVBE
3. Variability of UVBE
Cambiamenti della dose giornaliera di rad. UVA e
UVB con la latitudine e la stagione
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Irradiation (KJm-2)
Irradiation (kJ/m 2)
Simulated daily UVA irradiance
July
March
0
20
40
60
80
Simulated daily UVB irradiance
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
July
March
0
20
latitude (deg)
Latitudinal changes in %
from 40° a 60°
UVA
UVB
July
11
March
50
40
60
latitude (deg)
30
73
Seasonal changes
from July to March
at 40°
at 60°
in %
UVA
39
66
UVB
54
82
80
The relative difference [(Rome-Potsdam)/Potsdam]
in the UV and UVBE daily doses due to latitude
200
July
March
175
150
%
125
100
75
50
25
0
UVB
UVA
UV
Eryth.
Vit. D
GPD
Grifoni et al., 2008
PD
The relative difference [(July-March)/March]
in the UV and UVBE daily doses due to season
1000
Rome
Potsdam
900
800
700
%
600
500
400
300
200
100
0
UVB
UVA
UV
Eryth.
Vit. D
GPD
Grifoni et al., 2008
PD
4. Plant response to
(enhanced) UV radiation
Motivation
• Un grande impeto alla ricerca sugli effetti della RUV
sui vegetali fu dato dalle preoccupazioni sorte dopo la
scoperta del fenomeno dell’assottigliamento dello
strato di O3 nella stratosfera.
• Negli anni 80-90 sono stati condotti molti studi per
valutare il possibile impatto di crescenti irradianze UV
associate al progredire dell’assottigliamento dello
strato di O3
• Questi primi studi indicarono drammatiche riduzioni
nella fotosintesi e conseguenti alte riduzioni della
crescita delle piante e della produttività di quelle
agricole.
• Si trattava nella maggioranza dei casi di esperimenti
condotti in ambienti confinati e con dosi irrealistiche
di RUV.
“Updated Motivations”
In condizioni sperimentali piu’ realistiche gli
effetti della RUV sono stati in parte
ridimensionati ed è assodato che implicano
principalmente i processi del metabolismo
secondario responsabili della sintesi dei
pigmenti oltre ad alcune modifiche di tipo fotomorfogenico.
Control
UV-B + UV-A
supplementation
UV-A supplementation
Spectral emission of UV lamps
used in supplementation
experiments
0.018
0.016
0.014
0.012
0.01
0.008
0.006
0.004
0.002
0
UVB-313 lamp +C.A.
wavelenght (nm)
399
392
385
378
371
364
357
350
343
336
329
322
315
308
301
294
287
UVB-313 lamp+Mylar
280
emittance (W/m2/nm)
UV lamp + filter emittance
UV supplementation and action
spectrum
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
sun
sun + 25%
Rome July
Action spectrum: Flint and Caldwell, 2003
1.6
sun
0.4
0
Flint & Caldwell 1971
hours UTC
18.30
17.30
16.30
15.30
14.30
13.30
12.30
11.30
10.30
9.30
8.30
7.30
6.30
0
sun + 25%
4.30
10
action spectrum
18.30
0.6
0.2
Caldwell 1971
17.30
0.8
15
5
16.30
1
15.30
14.30
1.2
5.30
20
%
12.30
11.30
10.30
9.30
hours UTC
25
1.4
2)
13.30
Dose rate (W/m
30
8.30
7.30
6.30
Supplementation (%) by UV lamps
5.30
4.30
Dose rate (W/m
2)
Rome July
Action spectrum: Generalized plant damage (Caldwell et al.,
1971)
Spectral trasmittance of filters used in
UV supplementation/attenuation exp.
80
60
Mylar
40
C.A.
20
0
280
300
320
340
360
380
400
wavelenght (nm)
Daily Uvbe dose
Rome, July
40
35
30
25
kJ m -2
transmittance (%)
100
Mylar
20
C.A.
15
10
5
0
Caldwell 1971
Caldwell & Flint 2003
Oak (quercus robur) leaves
TEM images of the upper epidermis of oak leaves. Phenolic compounts are
accumulated within the cellular wall in the UV-B treatment.
+UV-B
Control
Antonelli et al., 1998, Chemosphere
Enhanced UV radiation and plant
geometry
16
12
a
ab
b
UV-B
Number of leaves
and branches
Control
UV-A
8
a
a
a
ab
a
b
a
4
b
a
0
Leaves on
whole plant
Leaves on
stem
Leaves on
branches
Branches
Antonelli et al., 1998, Plant Ecol.
Enhanced UV radiation and leaf
morphology
Table 2: Effect of UV treatments on stomatal and cell density and stomatal
index in the upper and lower epidermis of bean cv Nano Bobis.
Upper epidermis
UV-B
UV-A
Control
Stomatal density (stomata
11.34 ± 0.48 a 9.78 ± 0.46 b
9.85 ± 0.42 b
mm-2)
Cell density (cells mm-2)
139.6 ± 1.92 a 143.2 ± 2.14 a 138.8 ± 1.65 a
Stomatal index
0.075 ± 0.003 a 0.064 ± 0.003 b 0.066 ± 0.003 b
(stomata/stomata+cells)
Lower epidermis
Stomatal density
116.01 ± 2 a 118.8 ± 2.53 ab 123.52 ± 2.07 b
Cell density
326.46 ± 4.25 a 323.13 ± 4.67 a 347.83 ± 5.11 b
STOMATA ON LEAF SURFACE
Stomatal index
0.262 ± 0.002 a 0.267 ± 0.002 a 0.262 ± 0.002 a
Values in each line followed by different letters are significantly (p<0.05)
different according to Newman-Keuls multiple range test.
Enhanced UV radiation and plant
growth parameters
Antonelli et al., 1998, Plant Ecol.
Enhanced UV radiation and plant
growth parameters
Antonelli et al., 1998, Plant Ecol.
Searles et al., 2001, Oecologia
Young leaves of broad bean (Vicia faba)
modify their epidermis UV transmittance
with change of temperature
Bilger et al., Photochem. Photobiol. Sci., 2007
UV radiation and plants
• Most studies conducted in open field show only
modest responses to increasing UV-B radiation above
ambient levels, and such responses vary between
species and between cultivars
• One consistent response to UV-B radiation, both
within and above the ambient range, is a change in
plant chemistry.
• Changes in the phenolic metabolism (increasing
content of flavonoids and other phenolic comounds)
that may affect both the commercial characteristics of
plants products (lettuce, tomatoes, grapes) but also
plants resistance to herbivores and pathogens
“Positive” effects on plant
• At least for some species (Rhododendrom,
Chalker-Scott and Scott, Photoch.
Photob., 2004) UV induces an increase in
the cold resistance
5. La radiazione UV e gli
ecosistemi
La radiazione UV-B influenza il rapporto
pianta/parassita:
• Influenzando direttamente l’aggressività
delle spore nell’aggredire la pianta,
• Alterando alcuni pattern biochimici
dell’ospite rendendolo piu’ resistente
• Alterando l’equillibrio biochimico dei
composti rilasciati nel terreno dalle
radici
6. Possibili applicazioni
•
Controllo biologico di insetti, funghi, batteri e virus sfruttando la
loro vulnerabilità all’UV
•
Manipolazione dei regimi radiativi UV in serre con copertura
plastica per stimolare la produzione di caratteri organolettici dei
vegetali apprezzati dai consumatori
•
Controllo della crescita senza impiego di composti chimici
•
Produzione di sostanze biochimiche per usi medici (produzione
di taxoidi antitumore dal Taxus baccata) e per usi alimentari
ovvero per l’industria tessile (coloranti naturali da estratti di
piante/insetti)
Literature cited
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
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