06 Gen La Vita Complicata delle Piante
Da milioni di anni le piante devono dividere le loro limitate risorse fra crescita, riproduzione e l’impegno per la difesa contro erbivori e patogeni ambientali.
A tutti noi camminando in campagna può capitare di vedere un giardino o un campo coltivato con gruppi di piante più piccole e con un verde meno intenso, accanto ad altre simili non danneggiate. Possiamo pensare che la evidente disparità dello stato delle piante sia dovuta ad un attacco di insetti o di patogeni vari e ci sembrerebbe la spiegazione più sensata. “Potrebbe essere la causa più probabile, ma c’é un’altra e più fascinosa spiegazione dell’accaduto” dice Sheng Yang He dell’Howard Hughes Medical Institute, Department of Biology, Duke University, Durham, North Carolina. “Possiamo scoprire con sorpresa che quelle piante sotto attacco da parte di insetti o patogeni possono rallentare di proposito la loro crescita e che questa non sia una risposta casuale, ma sistemica che connota in modo specifico il suo modello di sviluppo e il suo modo di vivere in rapporto con l’ambiente”.
È un particolare percorso metabolico tipico della maggior parte delle piante definito dai biologi scambio fra difesa e crescita. Può essere considerato uno dei principi fondamentali della ‘economia della piante’ che permette loro di gestire in modo dinamico la difesa piuttosto che la crescita a seconda delle condizioni ambientali date in quel particolare momento della loro storia e ha importanti effetti ecologici nei boschi, nelle foreste e nell’agricoltura da reddito. In quest’ultimo caso le coltivazioni vengono ottimizzate con l’obbiettivo di massimizzare la resa per ettaro con la consapevolezza che ci sarà una perdita più o meno accentuata della funzione di difesa che va messa in conto in termini di aumento dei costi per interventi ad hoc. La conoscenza dei meccanismi che sono alla base dello scambio fra le attività metaboliche della difesa contro quelle della crescita, potrebbe condurre in futuro verso nuove cultivar ad alta produttività associati ad elevate capacità di difesa.
La diversione delle risorse della pianta dalla crescita alla difesa avviene in presenza di attacchi biotici e/o ambientali e provoca la sottoregolazione della espressione dei geni coinvolti nella crescita, nella fotosintesi e nell’aumento della produzione delle proteine e degli enzimi preposti alla sua difesa. “Con opportune simulazioni di attacchi esterni alla pianta, una parte dell’azoto prodotto con il percorso metabolico di RuBisCO é stato utilizzato per produrre alcuni composti organici utili per la difesa contro gli erbivori. L’energia che viene così impiegata non é più disponibile per eventuali altri bisogni della pianta stessa”. ricorda Sheng Yang He. Difesa e crescita sono istintivamente connesse, embedded, nel metabolismo delle piante. Questi costi comportano una riduzione della fitness complessiva della pianta e nella maggior parte dei casi, in un rallentamento della fotosintesi e della sua crescita in termini fisici.
Il network per la difesa delle piante conta su specifici recettori immunitari che sono in grado di rilevare attacchi biotici e non biotici provenienti dall’esterno della pianta e altri che possono provenire dall’interno delle cellule stesse. “In caso di attacco di patogeni, l’evento chiave é la produzione di fitormoni difensivi come l’acido salicilico e quello jasmonico con il supporto dell’etilene” dice Sheng Yang He. “Di particolare rilevanza é il fatto che questi ormoni e lo stesso etilene, si attivano sistematicamente al livello di tutta la pianta e non solo localmente. La messa in campo di questo network di difesa é associata con l’espressione di migliaia di geni e la riprogrammazione di numerosi processi cellulari, attività che implicano un costo rilevante in termini di energia metabolica spesa”.
L’aspetto sorprendente del meccanismo crescita verso difesa é la sua intima contraddittorietà. “C’é una profonda connessione metabolica nelle piante fra questi due momenti” commenta Talia Karasov della School of Biological Sciences, University of Utah. “Abbiamo dimostrato con il nostro studio che la produzione dell’acido salicilico influenza non solo la resistenza contro i microbi patogeni da parte della pianta, ma anche la morfologia delle foglie, lo sviluppo dei fiori e delle radici. Quindi i suoi effetti sono complessi, non lineari”. Lo stesso comportamento contraddistingue l’acido jaluronico, anch’esso sospeso fra difesa contro gli erbivori e i patogeni e il contemporaneo effetto che la sua presenza ha sulla riduzione dello sviluppo delle radici e la sottoregolazione della fotosintesi clorofilliana.
Attorno a questa manifesta complessità metabolica incastonata fra crescita e difesa “Si é consolidato fra i ricercatori un crescente consenso che questo scambio fra le due funzioni sia in realtà la manifestazione di quello che si può definire un modello di sviluppo delle piante che si é plasmato in termini evolutivi nel corso di milioni di anni, nella wilderness al di fuori da interventi umani. Un modello che fornisce loro il massimo di fitness possibile in relazione alle circostanze ambientali date, piuttosto che rappresentare degli astratti limiti del loro metabolismo” commenta Tobias Züst dell’Institute of Plant Sciences, University of Bern, Switzerland. Nelle coltivazioni da reddito si deve però andare oltre. Questo vincolo tra crescita e difesa deve in qualche modo essere bypassato in particolare per il riso e il grano i due cereali che sono la base dell’alimentazione per miliardi di persone.
Caixia Gao del College of Advanced Agricultural Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China, con una ricerca sul campo realizzata sulla Arabidopsis thaliana, ha dato una importante risposta a questo tema cruciale. L’oidio é una malattia fungina che aggredisce un gran numero di specie di piante da reddito, ne riduce le rese produttive e i suoi effetti sulle coltivazioni possono essere contenuti solo grazie a pesanti interventi con i fitofarmaci. Una mutazione genetica realizzata su una specie da reddito come il grano, é in grado di controllare gli effetti di questa malattia, ma penalizza la crescita delle piante e limita le rese per ettaro. Due vincoli che hanno rallentato la diffusione di questa tecnica genetica. Gao con il suo studio sulla Arabidopsis é riuscita a bypassare questi limiti. Attraverso una parziale cancellazione di alcune migliaia di coppie di basi su questo gene mutato realizzata utilizzando un editing di precisione, ha ottenuto due risultati importanti, resistenza all’oidio e il contemporaneo mantenimento delle rese produttive.
Il riso é per importanza il primo alimento delle popolazioni del Sud Est asiatico e della Cina. Tre sono le principali malattie che devono essere controllate per evitare pesanti perdite sulle rese per ettaro. Il brusone del riso, la Peronospera batterica e la Rhizoctonia solani. Dopo una intensa ricognizione di centinaia di cultivar di riso ancestrale rintracciati nel Sud Est asiatico, é stata individuata una mutazione del gene ROD1 che conferisce una buona resistenza immunitaria al riso contro queste malattie senza interferire con la produttività per ettaro. “Possiamo classificare come ‘elite’ queste cultivar di riso che hanno questo gene mutato perché si collocano al primo posto per produttività e hanno dimostrato in pieno campo una resistenza ad ampio spettro alle malattie. Un risultato importante per tutti quei paesi nei quali il riso é dominante nei loro modelli alimentari” commenta con evidente soddisfazione Zuhua He dell’Institute of Plant Physiology and Ecology, Chinese Academy of Science, Shangai, China, il leader che ha diretto questa lunga ricerca in campo.
