Le piante ”ricordano” lo stress termico per sviluppare tolleranza
Le colture in pieno campo devono affrontare una serie di fattori di stress abiotici (non biologici), tra cui le temperature estreme, la siccità e la salinità. Per valutarli e adattarvisi, le piante hanno dunque modificato le proprie risposte molecolari. Il tempismo della risposta delle piante è fondamentale per la loro sopravvivenza e le reazioni fluttuanti differiscono notevolmente da quelle sviluppate per gli stress ricorrenti. Come spiega Isabel Bäurle, coordinatrice del progetto CHROMADAPT: «La ricerca si è concentrata principalmente sulla risposta immediata ai fattori di stress, trascurando il fatto che in natura questi si ripresentano frequentemente.» CHROMADAPT, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca, era particolarmente interessato alla base molecolare del «priming» nelle piante, che migliora la risposta ai fattori di stress ricorrenti. Una scoperta fondamentale avvenuta nel corso della ricerca è che le piante sono in grado di ”ricordare” lo stress da calore grazie a un meccanismo che coinvolge i fattori di trascrizione e i modificatori della cromatina. Il team di ricerca ha riscontrato tali meccanismi anche in piante con lontani legami di parentela, come l’orzo.
Memoria dello stress termico
CHROMADAPT ha studiato una piccola pianta da fiore, l’Arabidopsis thaliana o arabidopside, che non solo presenta meccanismi molecolari simili a quelli delle piante coltivate, ma è stata anche oggetto di numerosissime ricerche, offrendo così un’ampia serie di risorse. Il progetto ha utilizzato la genetica diretta e inversa, compresa la tecnica CRISPR, per identificare i regolatori della memoria dello stress termico. La genetica diretta è una tecnica molecolare che permette di identificare i geni responsabili di particolari fenotipi, ovvero le caratteristiche manifestate da un essere vivente. La genetica inversa, invece, si propone di stabilire se un gene specifico abbia una funzione nel processo oggetto di studio. Dopo aver identificato i geni responsabili della memoria dello stress termico a livello molecolare, il team ha simulato questo fattore di stress in laboratorio per verificare se tali geni fossero rilevanti anche per la tolleranza al calore dell’intera pianta. Per farle acclimatare alle alte temperature, le piantine di arabidopside sono state incubate a 37 ºC per un’ora, in un processo noto come «priming», ripetuto alcuni giorni dopo a 44 ºC. «Le piantine non sottoposte al priming non sono sopravvissute a questo fattore di stress. Tuttavia, poiché quelle usate nell’esperimento hanno sviluppato memoria dello stress termico, sono in grado di proteggersi rapidamente, e questa protezione dura diversi giorni», spiega Bäurle. Il motivo di tale memoria sembra risiedere nella cromatina.
Il ruolo della cromatina
La cromatina è un insieme di DNA e proteine che costituisce i cromosomi nelle cellule. La sua organizzazione varia di caso in caso e influenza l’espressione dei geni, compresi quelli responsabili della memoria dello stress termico. Ad esempio, i geni indotti dalle alte temperature producono proteine che riparano e proteggono le altre proteine dai danni. Il progetto CHROMADAPT ha scoperto che la cromatina di tali geni cambia dopo l’induzione del calore e mantiene tali modificazioni come una sorta di promemoria per gli stress ricorrenti. «Quando si attiva la memoria dello stress termico, le modifiche alla cromatina garantiscono che questi geni rimangano attivi più a lungo dopo l’attenuazione dello stress o che si riattivino più rapidamente e con maggiore forza in risposta a stress termici ricorrenti», spiega Bäurle. Il team di ricerca sta ora indagando la disattivazione di tali geni causata da mutazioni e le sue ripercussioni sulle piante.
Sicurezza alimentare
Il settore agroalimentare internazionale è alla ricerca di soluzioni all’ulteriore riduzione delle rese prevista per tutte le colture principali a causa dell’aumento delle temperature globali. Per affrontare il problema, CHROMADAPT ha concentrato l’attenzione sull’orzo come modello per le colture di cereali, ipotizzando che i geni rilevanti per la memoria dello stress termico nell’Arabidopsis lo siano anche per questo cereale. La ricerca ha permesso di scoprire che il gene FORGETTER1 è coinvolto nella risposta al calore di entrambe le piante. Il gruppo di ricerca sta ora utilizzando la tecnica CRISPR per creare mutanti candidati di geni dell’orzo, con l’obiettivo di stabilirne l’influenza sulla cromatina, su altri geni, sulla formazione delle proteine e sulla tolleranza allo stress termico. «Le nostre intuizioni sull’adattamento a lungo termine delle piante allo stress abiotico aprono la strada alla selezione di colture più tolleranti allo stress, che possono mitigare proattivamente la riduzione dell’approvvigionamento alimentare», conclude Bäurle.
Parole chiave
CHROMADAPT, cambiamenti climatici, pianta, coltura, stress, cromatina, arabidopside, genetica, resa
