Il rafforzamento delle difese dagli erbivori da parte del mais
Le piante hanno sviluppato molti modi per proteggersi dagli erbivori: varie difese strutturali rendono difficile l’alimentazione di questi animali, come ad esempio le spighe o il rilascio di composti chimici unici come la capsaicina, la sostanza che rende piccante il peperoncino. Tuttavia, la migliore difesa di una pianta è il suo sistema immunitario. Numerose piante percepiscono la presenza di un pericolo riconoscendo le molecole rilasciate da un erbivoro invasore, oppure dalle piante danneggiate stesse. Esse danno quindi inizio a modifiche nella struttura vegetale o producono metaboliti che risultano tossici per gli erbivori, oppure che, secondo la strategia «il nemico del mio nemico è mio amico», sono in grado di attirare i loro nemici. «Non sappiamo, tuttavia, se le piante combinano e integrano diversi tipi di segnali per rafforzare le proprie difese, né tantomeno siamo a conoscenza delle modalità con cui, qualora tale eventualità fosse confermata, ciò avviene», aggiunge Matthias Erb, coordinatore del progetto InteCue, finanziato dall’UE, e docente presso l’Università di Berna, l’istituzione che l’ha ospitato. Prendendo spunto da diversi campi, quali genetica, biologia molecolare, biogeochimica ed ecologia chimica, InteCue ha verificato l’ipotesi secondo cui le piante, allo scopo di incrementare le proprie difese, combinerebbero segnali di pericolo aereo (volatili) con segnali interni dei peptidi vegetali.
Verificare l’ipotesi dell’integrazione dei segnali
Secondo la borsista Marie-Curie Lei Wang, i processi di segnalazione di difesa vegetale sono stati studiati perlopiù da genetisti e biochimici, mentre le interazioni tra piante ed erbivori in relazione ai volatili sono solitamente oggetto di studio degli ecologi specializzati in chimica. «Questa situazione ha fatto sì che il meccanismo molecolare alla base della segnalazione vegetale mediante volatili sia tuttora ampiamente inesplorato», spiega. InteCue ha dato avvio al proprio lavoro esaminando la segnalazione della sistemina nei pomodori. La sistemina è un piccolo peptide prodotto dai pomodori in risposta a un attacco da parte di insetti. Il gruppo di ricerca aveva scoperto in precedenza che tale composto è in grado di indurre la difesa dagli erbivori grazie a due proteine recettori transmembrana, SYR1 e SYR2. È ben chiaro che la sistemina, grazie ai suoi meccanismi di regolazione, rappresenta un eccellente candidato per lo studio dell’integrazione della segnalazione, accompagnato da una ricca raccolta di risorse genetiche.
Dai pomodori al mais
Dopo aver impiegato la tecnologia di editing genetico CRISPR per acquisire nuove informazioni sulle modalità di regolazione del flusso del segnale, i ricercatori hanno stabilito se diversi volatili e/o la sistemina incrementassero le emissioni da parte delle piante delle proprie sostanze chimiche di difesa. «Sebbene le pubblicazioni abbiano messo in evidenza un effetto positivo, abbiamo ottenuto pochi riscontri di tale effetto per quanto riguarda i pomodori, perlomeno nel periodo di tempo che abbiamo analizzato, ovvero le 16 ore successive al trattamento», afferma Wang. Il gruppo di ricerca è quindi passato all’analisi del mais, giungendo alla propria principale scoperta: le foglie di mais più giovani fungono da «naso» e sono in grado di «fiutare» i volatili associati a un agente stressante, mentre quelle più mature si concentrano sulla difesa chimica attivata dal piccolo peptide noto come ZmPep3. «È affascinante che le foglie siano in grado di specializzarsi in questo modo, rilevando i principali segnali d’allarme degli attacchi in corso», aggiunge Erb. Sebbene sia ancora presto per giungere a una conclusione in quanto i risultati sono attualmente sottoposti a una fase di analisi preliminare, i ricercatori hanno riscontrato possibili evidenze della capacità del mais di integrare segnali volatili e segnali peptidici per generare una difesa più forte.
Colture più intelligenti per un’agricoltura più sostenibile
Le scoperte di InteCue potrebbero in definitiva contribuire all’elaborazione di strategie di selezione vegetale su misura che consentano la produzione di colture in grado di offrire una maggiore resistenza ai parassiti, per un’agricoltura più sostenibile. «I geni di mais di cui stiamo ora effettuando la caratterizzazione potrebbero un giorno essere oggetto di ingegneria genetica volta a creare cultivar con una sensibilità più elevata ai volatili, il che ne incrementerebbe la resistenza agli erbivori», conclude Erb. Il gruppo è attualmente alla ricerca della proteina di mais che funge da «naso», ed è inoltre al lavoro per chiarire l’intero percorso molecolare che va dal rilevamento dei volatili alla produzione dei composti di difesa. Infine, i ricercatori si prefiggono di localizzare la proteina responsabile di combinare il meccanismo di segnalazione volatile e peptidica.
Parole chiave
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