Il morphing delle cellule vegetali attraverso la geometria e l’impatto sulla crescita vegetale e sull’organizzazione dei tessuti

Quasi tutto quello che mangiamo deriva, in maniera diretta o indiretta, dai vegetali. La ricerca dell’UE sta cercando di aumentare il rendimento dei raccolti, senza ricorrere alla manipolazione genetica.

Alimenti e Risorse naturali

Al fine di ottenere colture migliori e più nutrienti da terreni non ideali e per ridurre la dipendenza da fertilizzanti e pesticidi inorganici, è fondamentale comprendere il modo in cui le piante crescono. Le piante sono sottoposte a un’incredibile varietà di pressioni fisiche, come ad esempio la compattazione del suolo e l’esposizione al vento, tuttavia sono in grado di adattarsi per raggiungere una crescita ottimale: occorre solo scoprire in che modo coltivatori e agricoltori possono stimolare questa risposta.

Risultati ad alto impatto

Il citoplasma della cellula di una pianta non è solo un mucchio di gelatina: ha una forma sostenuta principalmente da due proteine del citoscheletro, ovvero l’actina e i microtubuli (MT). Questi aiutano le cellule a mantenere la loro forma; ciononostante, il citoscheletro è estremamente dinamico. «L’obiettivo centrale del progetto PlantCellMech era quello di sviluppare un approccio sperimentale volto a controllare la forma delle singole cellule delle piante e misurare il contributo della geometria cellulare alla determinazione dell’organizzazione citoscheletrica», sottolinea Pauline Durand-Smet, borsista Marie Skłodowska-Curie. Durand-Smet ha utilizzato la micro-litografia per produrre una serie di minuscoli stampi in silicone di forma circolare, quadrata, rettangolare e triangolare, per costringere le cellule delle piante prive di pareti (protoplasti) all’interno di geometrie definite. Ogni stampo è stato usato per realizzare una piastra di terreno agarizzato con micro-pozzi di dimensioni precise, ciascuno contenente il protoplasto di una sola pianta. Servendosi della modellizzazione 3D, i ricercatori hanno scoperto che basta una regola geometrica per spiegare l’organizzazione dei microtubuli osservata, controllando l’allineamento della rete di MT. Hanno inoltre dimostrato come l’actina si disponga in maniera simile ai MT lungo forme allungate. L’applicazione di farmaci in grado di modificare la polimerizzazione delle proteine del citoscheletro ha rivelato che l’organizzazione dell’actina in risposta alla geometria si basa sui MT, ma non viceversa. Gli esperimenti condotti sulle cellule con proteine katanine alterate hanno confermato che la separazione delle proteine è importante per ottenere un’organizzazione di MT ben allineata in risposta al cambiamento della forma.

Controllare le pressioni sperimentali

«La mancanza di controllo sulla pressione di turgore (creata dalla differenza di pressione osmotica tra la parte interna e quella esterna delle cellule) nei protoplasti ne provoca l’esplosione», continua Durand-Smet. «Perciò ci siamo assicurati di avere controllato la pressione osmotica durante gli studi». I ricercatori hanno inoltre dovuto lavorare in fretta, perché i protoplasti hanno cominciato a ricreare nuove pareti cellulari nel giro di poche ore. L’analisi della modellizzazione delle forme cellulari ha richiesto anche l’esatta identificazione dei filamenti di actina e dei MT nel corso dei cambiamenti di forma. I ricercatori del progetto PlantCellMech hanno utilizzato dei marcatori fluorescenti per le varie proteine e hanno osservato quelle del citoscheletro con i protoplasti attraverso un microscopio ad alta risoluzione.

Conclusioni, applicazioni aggiuntive e futuro

Potrebbe sembrare che la strada tra la modellizzazione della forma dei protoplasti dentro piccoli pozzi in un laboratorio e le applicazioni commerciali sia molto lunga, tuttavia i vegetali forniscono i materiali di partenza per la produzione di indumenti, carta, mobili e carburanti. Durand-Smet fa notare: «La possibilità di controllare la forma delle cellule vegetali e quindi gli schemi di crescita e il rendimento delle piante ha un risvolto economico». Durand-Smet considera questo lavoro come un primo passo verso la valutazione quantitativa del contributo della geometria cellulare al controllo dell’organizzazione del citoscheletro nelle cellule delle piante vive. «Ci auguriamo che l’approccio adottato nel progetto PlantCellMech possa essere ulteriormente approfondito per studiare il modo in cui la geometria influisce sull’orientamento della divisione o sulla polarità delle cellule vegetali», conclude. Tra i suoi piani per il futuro compaiono il monitoraggio del riallineamento del citoscheletro durante il cambiamento di forma della cellula e la misurazione dell’impatto di una forza quantificabile applicata a una cellula. L’articolo che descrive il lavoro, intitolato «Cytoskeletal organization in isolated plant cells under geometry control», è stato pubblicato su bioRxiv.