Gli scienziati scoprono il meccanismo che le piante usano per controllare le “bocche”


Vista ingrandita di uno stoma sulla foglia di una pianta di Tradescantia albiflora albovittata, comunemente nota come pianta gigante a pollice bianco.

Poiché la respirazione è generalmente involontaria, a volte dimentichiamo quanto sia complicata. Ma i biologi stanno acquisendo nuove conoscenze su questo intricato processo nelle piante, con grandi implicazioni per il modo di nutrire il mondo in futuro.

I ricercatori dell’Università della California San Diego, insieme a collaboratori in Estonia e Finlandia, hanno scoperto un percorso molecolare sfuggente che le piante utilizzano per dirigere la loro “respirazione” di anidride carbonica. I ricercatori sperano che sfruttare questo meccanismo possa portare a una futura ingegnerizzazione dell’efficienza dell’uso dell’acqua e dell’assunzione di carbonio da parte delle piante, fondamentale in un momento in cui la concentrazione di anidride carbonica nell’atmosfera continua ad aumentare. I ricercatori hanno infatti depositato un brevetto e stanno valutando come tradurre le loro scoperte in strumenti per gli allevatori e gli agricoltori.

La ricerca è stata pubblicata oggi su Science Advances.

Stomi, e allora?

Le piante assorbono anidride carbonica e acqua e poi usano la luce per trasformarle in sostanze nutritive necessarie alla crescita. Questo processo emette anche ossigeno, che l’uomo e gli altri animali respirano. Questo è il riassunto di base della fotosintesi. Ma come funziona esattamente?

Video ad alto ingrandimento dell’apertura e della chiusura di un singolo stoma su una foglia di una pianta di Tradescantia spathacea, comunemente nota come giglio di mare.

Il processo diventa un po’ più chiaro a livello microscopico. Sulla parte inferiore delle foglie e altrove, a seconda della pianta, si trovano minuscole aperture chiamate stomi, migliaia per foglia con variazioni a seconda delle specie vegetali. Come piccole porte di un castello, coppie di cellule ai lati del poro stomatico – note come cellule di guardia – aprono il poro centrale per assorbire l’anidride carbonica. Tuttavia, quando gli stomi sono aperti, l’interno della pianta è esposto alle intemperie e l’acqua della pianta viene dispersa nell’aria circostante, che può seccare la pianta. Le piante, quindi, devono bilanciare l’assunzione di anidride carbonica e la perdita di vapore acqueo controllando il tempo in cui gli stomi rimangono aperti.

La risposta ai cambiamenti è fondamentale per la crescita delle piante e ne regola l’efficienza nell’utilizzo dell’acqua, un aspetto importante in presenza di un aumento della siccità e delle temperature“, ha dichiarato Julian Schroeder, titolare della cattedra di scienze vegetali del Torrey Mesa Research Institute presso la UC San Diego, che ha guidato la nuova ricerca.

Con i cambiamenti climatici, sia la concentrazione di anidride carbonica nell’atmosfera che la temperatura aumentano, influenzando l’equilibrio tra l’ingresso di anidride carbonica e la perdita di vapore acqueo attraverso gli stomi. Se le piante, in particolare le colture come il grano, il riso e il mais, non riescono a trovare un nuovo equilibrio, rischiano di seccarsi, gli agricoltori di perdere una produzione preziosa e un numero maggiore di persone nel mondo rischia di soffrire la fame. Anche con i progressi dell’agricoltura, uno studio pubblicato nel 2021 ha rilevato che la produttività agricola globale degli ultimi 60 anni è ancora inferiore del 21% rispetto a quella che si sarebbe potuta ottenere in assenza di cambiamenti climatici.

Una vista ingrandita di molti stomi sulla foglia di una pianta di Begonia rex cultorum. La larghezza di ogni stoma è di circa 80 micron.

Gli scienziati conoscono da tempo gli stomi e l’equilibrio tra l’assunzione di anidride carbonica e la perdita di acqua. Finora non sapevano come le piante percepissero l’anidride carbonica per segnalare l’apertura e la chiusura degli stomi in risposta alle variazioni dei livelli di anidride carbonica. Sapere questo permetterà ai ricercatori di modificare questi segnali, in modo che le piante possano trovare il giusto equilibrio tra l’assunzione di anidride carbonica e la perdita di acqua, e consentirà agli scienziati e ai selezionatori di piante di produrre colture sufficientemente robuste per l’ambiente del futuro.

Chiamare le guardie

I ricercatori hanno identificato una serie di proteine che funzionano come una catena di soldati che percepiscono il livello di anidride carbonica e chiamano “CHIUDERE LE PORTE!” per far sì che le cellule di guardia si rilassino e chiudano gli stomi.

Scoprire che il sensore di CO2 nelle piante è costituito da due proteine è stato illuminante e potrebbe essere una ragione per cui il meccanismo non era stato identificato fino ad ora“, ha detto Schroeder. “Il sostegno dell’NSF negli ultimi due decenni è stato fondamentale per individuare questo percorso sfuggente“.

Questo lavoro è un meraviglioso esempio di ricerca guidata dalla curiosità che riunisce diverse discipline, dalla genetica alla modellazione alla biologia dei sistemi, e che porta a nuove conoscenze in grado di aiutare la società, in questo caso creando colture più robuste“, ha dichiarato Matthew Buechner, direttore del programma della Direzione per le Scienze Biologiche della NSF.

In un ambiente a basso contenuto di anidride carbonica, dove la pianta ha bisogno di tenere gli stomi aperti più a lungo per ottenere la quantità necessaria per la fotosintesi, una proteina nota come HT1 attiva un enzima che costringe le cellule di guardia a gonfiarsi, mantenendo lo stoma aperto.

Quando la pianta percepisce un aumento dei livelli di anidride carbonica, una seconda proteina impedisce alla prima di tenere gli stomi aperti e gli stomi si chiudono. Se gli stomi si chiudono prima che la pianta possa ottenere risorse sufficienti per la fotosintesi, la resa agricola può essere inferiore o inesistente.

Determinare come le piante controllano i loro stomi in presenza di variazioni dei livelli di CO2 crea un diverso tipo di apertura, che apre nuove strade di ricerca e possibilità di affrontare le sfide della società“, ha dichiarato Richard Cyr, direttore del programma NSF che ha studiato biologia cellulare delle piante prima di entrare a far parte dell’agenzia.

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