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Environment-coupled metabolic models for engineering high-temperature and drought REsistant LEAF metabolism.

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Modelli di metabolismo fogliare aiutano a migliorare l’efficienza dell’uso dell’acqua nelle colture

In questo secolo, la sicurezza alimentare diventerà una sfida importante per l’umanità a causa dei cambiamenti climatici e della crescita della popolazione. Sono pertanto necessarie colture alimentari che siano in grado di resistere al caldo e alla siccità mantenendo al contempo un’elevata produttività e il loro valore nutritivo.

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Una possibile soluzione per aiutare l’agricoltura globale ad affrontare le sfide del XXI secolo è l’ingegneria metabolica delle piante coltivate. La modellizzazione del metabolismo fogliare è fondamentale per questo approccio. Le foglie sono il sito principale della fotosintesi e, quindi, il punto in cui il carbonio proveniente dall’ambiente viene assimilato (o «fissato») per la sintesi e il mantenimento dei componenti cellulari. Le piante hanno sviluppato diversi meccanismi per fissare il carbonio: la fotosintesi C3 e C4 e il metabolismo acido delle crassulacee (CAM, Crassulacean Acid Metabolism). Anche se la fotosintesi C3 è la forma più diffusa, le ultime due mostrano una maggiore efficienza rispettivamente durante temperature più elevate e siccità. Gli attuali modelli metabolici su larga scala mancano di una descrizione matematica dei processi condotti a livello di interfaccia tra l’ambiente e la foglia. Il progetto Re-Leaf, intrapreso con il supporto del programma Marie Skłodowska-Curie, ha affrontato questa lacuna di conoscenze ideando un approccio computazionale che collega la modellizzazione metabolica su scala genomica all’ambiente modellando esplicitamente lo scambio tra gas e acqua. Re-Leaf ha applicato un modello stechiometrico su larga scala pubblicato in precedenza per la simulazione del metabolismo fogliare diurno e notturno e lo ha esteso per rappresentare il metabolismo su 24 intervalli di tempo durante il giorno.

Risposte a domande fondamentali

Questo modello risolto nel tempo è stato associato a un modello di scambio di gas biofisico tramite il parametro comune del flusso di CO2. «Questo ci ha permesso di modellizzare la perdita d’acqua attraverso gli stomi in base alla domanda di CO2 del sistema metabolico, alla temperatura e all’umidità relativa», afferma Nadine Töpfer, borsista di ricerca MSCA. Gli scienziati hanno costruito e analizzato modelli di bilanciamento del flusso di reti metaboliche vegetali su larga scala (fino alla scala genomica). «Siamo particolarmente interessati a utilizzare questo approccio per prevedere in quale modo la rete metabolica fogliare deve essere modificata per accogliere modalità fotosintetiche più efficienti quali la fotosintesi C4 e il CAM», spiega Lee Sweetlove dell’Università di Oxford. «Stiamo anche iniziando il processo di integrazione di questi modelli metabolici in strutture di modellizzazione dell’intera pianta». Questi modelli multistrato hanno consentito agli scienziati di rispondere a domande fondamentali riguardanti il funzionamento della fotosintesi C4 e del CAM. In primo luogo, i modelli di scambio tra CO2 e acqua hanno consentito di associare al comportamento dei modelli metabolici le mutevoli condizioni ambientali durante il ciclo giornaliero, quali i cicli di temperatura e umidità. In secondo luogo, i modelli giornalieri estesi sono stati utilizzati per approfondire strategie di ingegneria metabolica per migliorare la produttività ad alte temperature. Ciò ha aumentato la comprensione del compromesso tra produttività ed efficienza nell’uso dell’acqua nelle piante C3 e CAM. I modelli hanno anche consentito agli scienziati di testare quali cambiamenti siano necessari per stabilire un CAM a risparmio idrico o una fotosintesi simile a quella CAM in una rete metabolica C3.

Una scoperta entusiasmante

Quando i ricercatori hanno utilizzato il modello per simulare l’equilibrio tra produttività e risparmio idrico, hanno osservato percorsi metabolici che non erano stati ancora descritti nel contesto del CAM. Secondo Töpfer: «È stato molto emozionante vedere che il nostro modello prevedeva modalità di flusso metabolico alternative che coinvolgono enzimi e metaboliti diversi dal ciclo CAM noto». Gli enzimi identificati sono già presenti nelle piante C3. Questo lo rende un obiettivo interessante per l’ingegneria metabolica per migliorare il flusso attraverso percorsi già esistenti e quindi generare piante coltivate con una maggiore efficienza nell’uso dell’acqua. «Il nostro nuovo approccio di modellizzazione è applicabile anche alla modellizzazione di processi con risoluzione temporale e diffusione limitata in modelli metabolici su larga scala in altri contesti», conclude Töpfer.

Parole chiave

Re-Leaf, CAM, fotosintesi, C3, efficienza nell’uso dell’acqua, ingegneria metabolica, metabolismo fogliare, C4, metabolismo acido delle crassulacee

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