Collegare tempo ed energia nei geni delle piante
La rete dell’orologio interno della pianta, l’orologio circadiano, è responsabile del controllo di molti aspetti della crescita e del metabolismo della pianta stessa. In particolare la regolazione del metabolismo del carbonio nel corso del ciclo giorno-notte è fondamentale affinché le cellule della pianta evitino periodi di insufficienza di nutrimento. Grazie al finanziamento dell’UE, i ricercatori del progetto TIMET (Linking the clock to metabolism) hanno selezionato per lo studio tre sistemi biologici strettamente collegati: l’orologio circadiano, la via metabolica dell’amido e la via metabolica degli isoprenoidi. Gli sioprenoidi, che sono responsabili della produzione di 30 000 biomolecole, includono il colesterolo, la vitamina K e tutti gli ormoni steroidi. La ricerca del progetto si è affidata all’accumulo e integrazione di grandi data set in un modello complesso: un approccio della cosiddetta biologia dei sistemi. I risultati della ricerca hanno integrato i prodotti dell’espressione del gene circadiano collegandoli ai percorsi di espressione orologio multiplo. Sia i dati dei trascrittomi che quelli dei proteomi hanno rivelato che i ritmi giornalieri della produttività molecolare erano influenzati dal cambiamento della durata del giorno e dalle mutazioni metaboliche e dell’orologio, nonché dal cambiamento climatico. La regolazione dell’amido era calcolata ogni ora e i risultati indicano una risposta a livello di sistema. Da notare che la decomposizione dell’amido continuava anche durante il giorno. Modelli precedenti distinguevano tra uno stato diurno e uno notturno. Il lavoro ha rivelato come viene ottimizzato il consumo energetico e di carbonio, e sono stati individuati i fattori globali che controllano il tasso di crescita. Il team ha redatto anche una pubblicazione che mostra il collegamento tra controllo degli zuccheri e ritmo circadiano nella crescita radicale. I ricercatori hanno inoltre scoperto molecole e metaboliti chiave, e costruito infrastrutture di dati per sostenere ulteriormente la ricerca. I nuovi modelli sviluppati hanno rivelato nuovi gruppi e reti di geni che regolano il metabolismo delle piante di notte e di giorno secondo un sistema inaspettatamente versatile. È stato progettato un modello di quadro generale basato su queste nuove conoscenze, il quale è stato testato usando un mutante simulato per spiegare i cambiamenti nella biomassa. In primo luogo, il team di TIMET ha collegato le dinamiche di espressione genica alterata ai cambiamenti quantitativi in uno dei più alti livelli di controllo nelle piante. Le vie metaboliche studiate in TIMET sono tra le più importanti per la determinazione della resa dei raccolti, nelle coltivazioni alimentari e non. Il lavoro futuro si concentrerà indubbiamente sull’applicazione dell’approccio del sistema alle colture agricole più importanti economicamente, nonché ad altri sistemi biologici.
Parole chiave
Metabolismo delle piante, espressione genica, orologio circadiano, via metabolica, coltura
