Foliage: perché alcune piante cambiano il colore delle foglie in autunno?

Colline e montagne delle zone temperature, ricche di biodiversità vegetale, in autunno cambiano colore, passando da un verde sgargiante tipico della primavera-estate, a un mix di sfumature che vanno dal giallo al rosso. Il prezioso pigmento responsabile del colore verde, la clorofilla, viene degradata, lasciando spazio a carotenoidi ed antociani di esprimere la loro bellezza. Il foliage tanto amato e fotografato non è altro che il ciclo vitale delle foglie che giunge al termine, per dare spazio al riposo invernale in preparazione ad un nuovo inizio in primavera.

Il cambiamento di colore delle foglie e la loro successiva caduta avvengono esclusivamente nelle piante caducifoglie. Queste piante perdono i loro organi fotosintetici in concomitanza all’arrivo della stagione sfavorevole, l’inverno. Si differenziano dalle sempreverdi, le quali perdono le foglie lentamente e in modo costante durante tutto l'anno. Le piante caducifoglie, dette anche latifoglie, perdono le foglie in risposta ad una diminuzione del fotoperiodo e a un calo significativo delle temperature. L'arrivo dell'inverno avvia un processo di invecchiamento delle foglie, seguito dall'abscissione, ovvero la separazione delle foglie dai rami. Questo rappresenta una risposta fisiologica delle latifoglie all'autunno, percepito come un vero e proprio stress.

Con l’arrivo dell'inverno la pianta avvia la degradazione della clorofilla, il pigmento verde delle foglie. Questo processo è stimolato da fattori ambientali che attivano la produzione di enzimi, tra cui l'enzima feoforbide ossigenasi A, responsabile della degradazione della clorofilla. La produzione di questo enzima aumenta in modo esponenziale all'inizio della senescenza fogliare. La degradazione della clorofilla porta all’ingiallimento delle foglie, rivelando la presenza dei carotenoidi, pigmenti presenti durante tutto l’anno ma schermati dal verde della clorofilla nella stagione favorevole. I carotenoidi svolgono funzioni essenziali, come la protezione dallo stress ossidativo causato dall'irraggiamento solare e l'assorbimento della luce come pigmenti accessori. Al contrario, le antocianine, pigmenti responsabili dei colori rosso e viola, vengono prodotte durante la senescenza fogliare e non partecipano direttamente alla fotosintesi.

La senescenza fogliare è principalmente associata al periodo autunnale, ma può essere indotta anche da vari processi che le piante percepiscono come stress. Ne sono un esempio le punture di insetto, le avversità meteorologiche come la grandine, la limitazione di acqua o nutrienti e la diffusione di patogeni. Nel caso di risposta ad un attacco patogeno, essendo che le piante non possiedono un sistema immunitario come gli animali, per contrastare l’avanzare dei microorganismi dannosi possono separare fisicamente la zona colpita, sacrificando le cellule coinvolte, per salvaguardare il resto dell’organismo vegetale. Le foglie dunque possono essere perse in qualsiasi momento dell’anno, parzialmente o completamente.

Le piante, a differenza degli animali, si autoproducono l’energia per sostenersi attraverso il processo di fotosintesi clorofilliana. Le foglie sono ricche di clorofilla, il pigmento responsabile dell’assorbimento della luce per la produzione di energia. La caduta di questi organi vegetali potrebbe sembrare un comportamento controproducente poiché, il vegetale si priva della capacità di produrre energia. Tuttavia, questo comportamento rappresenta una strategia efficiente in risposta all'arrivo del freddo. Eliminando le foglie, le piante riducono la superficie esposta a condizioni avverse, quali le basse temperature. Infatti, le piante preferiscono sacrificare queste strutture esposte, che sarebbero poco produttive durante l'inverno a causa delle limitate ore di luce, piuttosto che rischiare la morte o la perdita di nutrienti preziosi.

La colorazione autunnale delle foglie è sicuramente un sottoprodotto della senescenza fogliare in risposta allo stress dell’autunno, ma può avere anche diversi ruoli adattativi. Ne sono un esempio i pigmenti dai colori rossi e arancioni, rispettivamente antocianine e carotenoidi, che svolgono una funzione di schermo solare, per proteggere le cellule vegetali dai danni causati da radiazioni intense e dai radicali liberi, i responsabili della foto-ossidazione. La produzione di antocianine, in particolare, viene regolata da specifici geni, che sono attivati con l’inizio della senescenza, proprio per garantire un maggior livello di protezione dall’eccesso di luce e nel contribuire al riassorbimento efficace dei nutrienti.

Il cambiamento di colore delle foglie in autunno deriva da un'interazione complessa tra fattori genetici e ambientali. La risposta al freddo e all'accorciamento del fotoperiodo è di natura genetica: in particolari condizioni ambientali, si attiva l'espressione di geni che portano alla produzione di specifici enzimi con diverse funzioni. In questo contesto, la produzione di enzimi per la degradazione della clorofilla e per la biosintesi di antociani, le loro quantità e i tempi di espressione di essi sono sotto controllo genetico. Durante la senescenza fogliare autunnale, la pianta attua un'altra risposta mediata geneticamente: la morte cellulare programmata. Questo processo rappresenta una strategia efficace per affrontare lo stress autunnale, accompagnando e facilitando la degradazione della clorofilla.

La senescenza fogliare determina sia la degradazione di alcuni componenti della foglia, che la morte di cellule vegetali. Questo processo di morte è parallelo ad un processo di mobilitazione dei sottoprodotti della degradazione per il loro riutilizzo. Non sono solo i pigmenti ad essere degradati, ma si ha un ricircolo di tutte le componenti molecolari della foglia verso il resto della pianta. Infatti, le proteine, di cui il 75% sono composte da RuBisCO, l’enzima principale coinvolto nella fotosintesi, vengono degradate e mobilitate. Le membrane degli organelli fotosintetici, i cloroplasti, sono sfruttate come energia per il processo grazie alla loro disponibilità di carbonio. Il DNA, invece, viene mantenuto tale per permettere la lettura genetica e la codificazione di enzimi utili. Anche ioni metallici e minerali vengono trasferiti al di fuori della foglia per essere riciclati dalla pianta.

L’aumento della temperatura globale negli ultimi anni ha portato ad autunni più caldi, minacciando i colori vibranti del foliage. Fenomeni di siccità e una riduzione, o addirittura assenza, di precipitazioni possono ritardare il cambiamento di colore delle foglie e quindi la senescenza fogliare. Il cambiamento climatico, impattando sull’invecchiamento delle foglie, interrompe i cicli annuali di crescita e riposo a cui sono sottoposti gli alberi. Gli scienziati sono ancora al lavoro per comprendere le implicazioni di questi cambiamenti per le foreste: come può variare la salute degli alberi, dove possono prosperare al meglio e se continueranno a immagazzinare carbonio con lo stesso ritmo di prima.