Lo studio identifica un nuovo meccanismo di rilevamento della temperatura nelle piante


Foglie all’ombra.

Una proteina chiamata fitocromo B, che può percepire la luce e la temperatura, innesca la crescita delle piante e controlla il tempo di fioritura. Il modo in cui lo fa però non è pienamente compreso.


In un articolo pubblicato su Nature Communications, un gruppo di biologi cellulari guidati da Meng Chen, professore di botanica e scienze delle piante all’Università della California, Riverside, rivelano che la molecola del fitocromo B ha dinamiche inaspettate attivate dalla temperatura e si comporta in modo diverso a seconda della temperatura e del tipo di luce.

Man mano che il cambiamento climatico riscalda il mondo, i modelli di crescita delle colture e i tempi di fioritura cambieranno. Una migliore comprensione di come i fitocromi regolano i ritmi stagionali della crescita delle piante aiuterà gli scienziati a sviluppare colture per una crescita ottimale con il nuovo clima della Terra e potrebbe anche far luce sul cancro negli animali.

I fitocromi passano da forme attive a forme inattive come un interruttore binario controllato dalla luce e dalla temperatura. Alla luce diretta del sole, come nei campi aperti, i fitocromi si accendono, assorbendo la luce rossa lontana. Questa forma attiva inibisce l’allungamento del fusto, che limita la crescita delle piante alte alla luce diretta del sole.

In ombra i fitocromi sono meno attivi, assorbendo il rosso. Questa forma “spenta” rilascia l’inibizione della crescita del fusto, quindi le piante crescono più alte in ombra per competere con le altre piante per più luce solare.

All’interno della cellula, la luce fa sì che i fitocromi “accesi” si fondano in unità chiamate fotocorpi all’interno del nucleo della cellula. Quando il fitocromo B è spento, esso risiede al di fuori del nucleo della cellula. Si muove all’interno del nucleo quando è “acceso” e cambia l’espressione dei geni e dei modelli di crescita.

I cambiamenti di luce alterano le dimensioni e il numero di tutti i focolai. Il gruppo di Chen ha ora mostrato che la temperatura altera i singoli focolai.

Il suo gruppo ha esaminato il comportamento delle cellule esposte a temperature e condizioni di luce diverse dalle foglie e dagli steli dell’Arabidopsis thaliana, una pianta usata come modello standard nella scienza botanica. L’obiettivo era quello di monitorare come i fotocorpi cambiano in risposta alla temperatura.

La comprensione attuale è che i fitocromi formano i fotocorpi solo nello stato “acceso”.

Chen e i coautori Joseph Hahm, Keunhwa Kim, Keunhwa Kim e Yongjian Qiu, membri del gruppo di ricerca di Chen a UC Riverside, si aspettavano che l’aumento della temperatura avrebbe avuto un effetto simile a quello dell’ombra: avrebbe spento i fitocromi. Pensavano che i corpi fotografici sarebbero scomparsi, come nell’ombra.

I risultati sono stati del tutto inaspettati.

Il team ha scoperto che l’aumento della temperatura non ha fatto scomparire tutti i fotocorpi in una volta sola. Al contrario, specifici fotocorpi sono scomparsi in specifici intervalli di temperatura. L’aumento della temperatura ha ridotto il numero di fotocorpi in modo incrementale, poiché sono scomparsi in modo selettivo.

“Abbiamo scoperto che un sottoinsieme di fotocorpi termostabili può persistere anche a temperature calde”, ha detto Chen. “Il resto dei foci scompariva ad ogni stadio di temperatura più bassa. Prima pensavamo che tutti i foci fossero uguali, ma ora sappiamo che sono tutti diversi”.

Il meccanismo che li fa sparire selettivamente deve essere diverso da quello che li fa sparire in ombra. Questo suggerisce che i singoli fotocorpi potrebbero essere sensori per specifici intervalli di temperatura.

Lo studio ha anche mostrato che il fitocromo B reagisce alla temperatura da due diversi punti della molecola. La prima parte rileva la temperatura, la seconda forma dei foci. I foci formati da questa seconda posizione sono insensibili alla temperatura. Questo mostra la luce e la temperatura sono percepiti dalla stessa parte della molecola, ma danno luogo a comportamenti diversi.

“I foci sono grandi complessi proteici dinamici. I nostri risultati suggeriscono che ognuno di essi potrebbe avere una composizione diversa”, ha detto Chen. “Quello che pensiamo è che la composizione unica dei singoli fotocorpi li fa reagire alla temperatura in modo diverso. Studi futuri sulla comprensione delle caratteristiche uniche di ogni fotocorpo scopriranno probabilmente i meccanismi di base del rilevamento della temperatura e della regolazione dell’espressione genica di risposta alla temperatura nelle piante”.

Oltre ad aiutare a sviluppare piante che prospereranno in un mondo che si riscalda, questo lavoro potrebbe aiutare gli scienziati ad imparare di più sul cancro negli animali. Anche le proteine nelle cellule animali formano dei foci in qualche modo correlati al cancro, ma il loro ruolo nell’espressione e nella regolazione dei geni è sconosciuto.

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