Proteine per la resistenza alla siccità

Buona giornata a tutti. Oggi vorrei commentare con voi un articolo di Le Scienze in cui mi sono imbattuta poco fa. Parla di una proteina che ha lo scopo di creare resistenza alla siccità nelle piante. Leggere questa cosa mi ha sorpresa molto perché potrebbe sul lungo termine cambiare letteralmente i metodi di coltivazione. Ultimamente sto studiando l'impatto dei metalli pesanti nelle aree agricole del Mediterraneo, ecco perché ho una propensione verso questi temi: non fateci caso!

Anche se ho problemi di deformazione professionale, trovo molto interessante questa faccenda della proteina scoperta e vorrei aiutare anche chi è meno dentro la materia a capire di che si tratta.

Foglie inspessite da un eccesso di anidride carbonica nell'aria

Lo scenario che ci si immagina prevede piante di riso e grano resistenti alla siccità regolando il flusso di ioni calcio nell'organello che si occupa della fotosintesi.

Vi butto giù subito le prime tre definizioni:

Lo ione è un atomo o un gruppo atomico dotato di carica elettrica, positiva o negativa a seconda che abbia perduto o acquistato uno o più elettroni rispetto alla configurazione di sistema elettricamente neutro. Il nome deriva dall’inglese ion, tratto dal greco ἰόν «andato», con allusione al movimento da un polo all’altro. Uno i. si indica con il simbolo chimico dell’atomo o del gruppo atomico, portante in alto a destra tanti + o − quanti sono gli elettroni perduti o acquistati o anche tali segni preceduti o seguiti dal numero indicante gli elettroni.

 Un organello è ogni struttura differenziata che si trovi negli organismi unicellulari o in una cellula, e che abbia una propria funzione.

(Prima di leggere questo articolo nemmeno io sapevo cosa fosse un organello!) 

La fotosintesi clorofilliana è il processo biochimico che sta alla base della sopravvivenza delle piante: mediante questo fenomeno infatti la luce solare viene catturata attraverso la clorofilla e trasformata in energia chimica, indispensabile per sintetizzare le molecole di glucosio e liberare ossigeno. Vediamo più nel dettaglio come funziona.

Adesso possiamo passare in (quasi) tutta tranquillità alla proteina di cui si parla su Le Scienze.

L’organello deputato alla fotosintesi si chiama cloroplasto ed è fondamentale non solo per la vita delle piante, ma ha anche il ruolo di sensore delle condizioni ambientali avverse.

Come il mitocondrio, anche il cloroplasto necessita di interloquire con il nucleo per concertare quelle risposte, fisiologiche o indotte, che permettono alle cellule e all’organismo intero di crescere e riprodursi. Questo processo si chiama “segnalazione retrograda”: l’organello segnala al nucleo che è avvenuta una variazione nelle condizioni esterne e così la cellula può regolare i geni che permettono un’adeguata risposta. Come il cloroplasto riesca a comunicare con il nucleo è ancora in gran parte ignoto.

Lo ione calcio (Ca2+) è noto per la sua funzione di messaggero intracellulare, non solo negli animali ma anche nelle piante. I cloroplasti contengono un'alta concentrazione di ione calcio, anche se per lo più in forma complessata e non libera. Si ritiene che i cloroplasti fungano da accumulatori dello ione calcio, che al momento appropriato viene rilasciato nel citoplasma. Tuttavia, le proteine canale responsabili di tali spostamenti rimangono a tutt’oggi sconosciute.

Non so quanti di voi sanno come sia fatta in linea generale una cellula, ma per comprendere questo paragrafo vi darò una rapida idea delle sue componenti.

Schema di una cellula

Come si può evincere dalla figura in alto, i mitocondri sono elementi che appartengono alla cellula, immersi nel citoplasma, proprio come di cloroplasti. Facciamo finta che i cloroplasti siano al posto dei mitocondri: stan no accumulando una certa quantità di ioni di calcio. Raggiunta una certa soglia, si svuotano nel citoplasma. Come questo avviene? Ancora non si sa.

I ricercatori hanno identificato una nuova proteina che appartiene alla famiglia MCU (uniporto di calcio del mitocondrio) e chiamata cMCU. Questa proteina di membrana funge da canale ionico che media il flusso di ioni calcio nel cloroplasto in vivo. Utilizzando tecniche di biochimica e biofisica, i gruppi delle prof.sse Ildikò Szabò e Laura Cendron (Dipartimento di Biologia dell’Università di Padova) hanno caratterizzato le proprietà strutturali e la localizzazione intracellulare di questa proteina nella “pianta modello” Arabidopsis thaliana (pianta autunnale comunemente detta “arabetta”). Utilizzando dei saggi in vitro ed un modello batterico hanno dimostrato la capacità di cMCU di veicolare il trasporto dello ione calcio.

Quella che è stata scoperta è, dunque, una proteina a cui hanno dato il nome di cMCU. Il suo scopo è quello di controllare il flusso di ioni calcio all'interno dei cloroplasti (quelli che sostanzialmente prima abbiamo paragonato ad un vaso che, man mano che si riempie si inclina, finché l'angolo non è sufficiente a farla svuotare nel citoplasma). Le proprietà di questa proteina sono state testate su una pianta chiamata volgarmente arabetta e con dei saggi in vitro e un modello batterico hanno visto come la cMCU funge da trasportino degli ioni calcio.

Fiori di arabetta

I fiorellini in foto sicuramente li avete visti da qualche parte: sappiate che è stata usata questa pianta per l'esperimento.

Per chi non ha mai messo piede in un laboratorio biologico (quindi, per quelli come me!) può essere utile sapere cosa sia un saggio in vitro e un modello batterico.

La locuzione latina in vitro significa sotto vetro ed è usata per indicare fenomeni biologici riprodotti in provetta e non nell'organismo vivente.

In foto, invece, vi riporto un esempio di un modello batterico.

Modello batterico ad anse

Devo ammettere che vedere questo modello batterico mi ha fatto discretamente schifo, comunque andiamo avanti.

In presenza di siccità, le piante avvertono la carenza di acqua nel terreno e mettono quindi in funzione i loro meccanismi di difesa, come la chiusura degli stomi, piccole aperture sulle foglie che consentono gli scambi gassosi con l'aria. Questo consente loro di perdere meno acqua con la traspirazione. Utilizzando tecniche di biologia molecolare e cellulare è stato possibile dimostrare che, in assenza della proteina cMCU, le piante hanno un difetto nella regolazione della chiusura degli stomi. Questa alterazione è visibile solo quando i cloroplasti sono funzionali e quindi il meccanismo è dipendente dai cloroplasti.

Una conseguenza della mancata espressione del gene che codifica la proteina cMCU è un’alterata apertura degli stomi che permette una riduzione della perdita d’acqua durante la siccità e che aiuta le piante a sopravvivere a prolungati periodi di carenza idrica.

«Prima d’ora non era chiaro il ruolo del calcio contenuto nei cloroplasti. Si pensava fosse solo un luogo per accumularlo – spiega Elide Formentin, Ricercatrice di Fisiologia Vegetale -.  Oggi sappiamo grazie alla nostra ricerca che esso è necessario per la pianta quando si trova in condizioni avverse che possono portare alla disidratazione e alla morte. Sarà interessante studiare lo stesso meccanismo in piante di interesse agrario, come il riso o il grano, per cercare soluzioni alla perdita di produttività dovuta all’inasprimento delle condizioni climatiche».

Spero di non avervi annoiato troppo con la biologia. Capisco quanto possa essere legnoso l'argomento, ma immaginate di andare in vacanza per un po' di tempo e trovare il vostro giardino ancora vivo senza essere stato innaffiato. Questo è quello che potrebbe essere possibile conoscendo il potenziale dei cloroplasti e il motivo per cui si dilettano nell'accumulare calcio.