I ricercatori dell’università di Padova, coordinato da Lorella Navazio e Ildiko Szabo, hanno pubblicato, nella rivista Nature Plants, un interessante lavoro che ci spiega come il DNA della pianta viene reso consapevole delle condizioni avverse abiotiche, in modo da mettere in atto meccanismi di difesa.
Alcuni organelli intracellulari, come i cloroplasti deputati alla fotosintesi, o i mitocondri, deputati al metabolismo cellulare, necessita che interloquiscano con il nucleo cellulare per concertare, in condizioni fisiologiche, risposte utili alla crescita ed alla riproduzione cellulare.
Questa segnalazione, a ritroso, avviene anche in condizioni patologiche come quelle di stress idrico. Con questa ricerca è emerso che i cloroplasti, hanno anche un ruolo di sensori delle condizioni ambientali avverse, come nella siccità.
Questo processo di segnalazione retrogada verso il nucleo determina una regolazione dei geni con una adeguata risposta, come la chiusura degli stomi (piccole aperture sulla superficie delle foglie, che permettono gli scambi gassosi con l’aria) per ridurre la perdita d’acqua mediante la traspirazione.
Per molto tempo i cloroplasti sono stati considerati un luogo di accumulo degli ioni calcio (Ca+2) per lo più in forma complessata e non libera, che al momento opportuno possa essere rilasciato nel citoplasma, come messaggero intracellulare.
Quando le piante percepiscono una carenza d’acqua nel terreno, mettono in atto dei meccanismi di difesa ed utilizzano una proteina cMCU (membro della famiglia Mitochondrial Calcium Uniporter) come canale ionico che media il flusso di ioni calcio nel cloroplasto, come fosse un corriere dell’informazione.
L’attività della proteina cMCU avvia, nel citoplasma cellulare una segnalazione rapida innescata dallo stress osmotico, che coinvolge l’attivazione di alcuni enzimi, le “protein-chinasi attivate dal mitogeno” MAPK3 e MAPK6, e dei fattori di trascrizione MYB60 (fattore di trascrizione che implica il controllo dei geni della regolazione stomatica in condizioni di siccità) nonché del fattore di trascrizione (ERF6).
Nella Arabidopsis thaliana, pianta utilizzata in questo studio, è stata scelta in quanto ha un DNA “corto” ,completamente sequenziato dai biologi molecolari.
Questa ricerca ha permesso di capire come le strutture interne della cellula possano aiutare la pianta ad adattarsi ai cambiamenti climatici, soprattutto allo stress idrico, agendo come sensori delle condizioni ambientali avverse.
La controprova viene dalle piante che non hanno l’espressione genetica per produrre la proteina cMCU le quali, non sopportano la siccità, vanno incontro a disidratazione e morte.
Ma abbiamo bisogno di piante più resistenti alla siccità? Il Joint Research Centre dell’Unione europea ha stimato che, entro il 2050 il degrado del suolo e il cambiamento climatico porteranno a una riduzione dei raccolti globali e circa 700 milioni di persone saranno sfollate a causa di problemi legati alle scarse risorse del territorio; questa cifra potrebbe raggiungere il miliardo entro la fine di questo secolo.
I maggiori problemi saranno concentrati in India (che ha già gravi problemi di denutrizione, forse i più alti a livello mondiale), in Cina e in Africa sub-sahariana, dove il degrado del terreno potrebbe cancellare la produzione agricola.
Diventa fondamentale ogni possibilità che la scienza, come in questo caso, possa mettere in campo per realizzare sistemi alimentari più resilienti alla siccità, questo sta diventando un settore d’importanza cruciale per il benessere dell’umanità e diventa importante conoscere come la modulazione del Ca2+ stromale, nell’elaborazione specifica dei segnali di stress, identifica la proteina cMCU quale componente del rilevamento ambientale della pianta.
È chiaro che la siccità è uno stress preoccupante per la pianta, soprattutto perché viene perturbata la fotosintesi inoltre la radiazione solare induce una forte produzione di derivati reattivi dell’ossigeno (ROS), prodotti dannosi che danneggiano le strutture delle cellule. Per neutralizzarli, le piante producono antiossidanti come il beta-carotene ed i composti fenolici, ma potrebbe non essere sufficienti.
Anche il β-ciclocitrale (β-CC), che è un composto volatile derivante dall’ossidazione, con l’ossigeno singoletto,1O2 del β-carotene, nelle foglie delle piante, provoca un segnale retrogrado, modulando i geni sensibili all’ossigeno 1O2 e migliorando la tolleranza allo stress foto-ossidativo.
Anche le ricerche di D’Alessandro S. e Collaboratori, effettuate con l’acido β-ciclocitrico (β-CCA), prodotto dall’ossidazione del β-carotene, molecola derivata solubile in acqua, hanno dimostrato che questa innesca una cascata di segnalazione che porta alla tolleranza alla siccità offrendo prospettive nella protezione delle colture. Questo metabolita (β-CCA) è un segnale che migliora la tolleranza delle piante alla siccità tramite un meccanismo diverso dalle risposte note come la chiusura degli stomi, l’aggiustamento del potenziale osmotico e la segnalazione jasmonato.
Sarà interessante studiare questi meccanismi in piante di interesse agrario, come il riso o il grano, per cercare soluzioni alla perdita di produttività dovuta al crescente inasprimento delle condizioni climatiche.
Bibliografia:
Teardo A. et al. 2019, A chloroplast-localized mitochondrial calcium uniporter transduces osmotic stress in arabidopsis, Nat. Plants,5 ,581-88.
D’Alessandro S, et al. 2019, The Apocarotenoid β-Cyclocitric Acid Elicits Drought Tolerance in Plants. Science; 19: 461–473.
Costa A. et al. 2018, The contribution of organelles to plant intracellular calcium signalling. J. Exp. Bot. 69, 4175–93.
Vujovic A. 2019, Scoperto il segreto della resistenza alla siccità delle piante. TN, Bio e Natura, 15 novembre 2019.
Hochmal A. et al. 2015, Calcium-dependent regulation of photosynthesis. Biochim. Biophys. Acta 1847, 993–1003.
Guo H. et al. 2016, Plastid–nucleus communication involves calcium-modulated MAPK signalling. Nat. Commun. 7, 12173.
