I biologi identificano i geni che controllano la crescita ritmica delle piante

16 settembre 2008

I biologi identificano i geni che controllano la crescita ritmica delle piante

16 settembre 2008

La Jolla, CA – Un team di biologi del Salk Institute for Biological Studies, dell'UC San Diego e dell'Oregon State University ha identificato i geni che consentono alle piante di crescere ritmicamente durante la notte e di competere quando le loro foglie sono ombreggiate da altre piante.

I ricercatori riferiscono nel numero di questa settimana della rivista Biologia PLoSS che questi geni controllano la complessa interazione tra ormoni della crescita delle piante, sensori di luce e ritmi circadiani che consentono alle piante di subire scatti di crescita ritmici in momenti specifici del giorno o dell'anno in risposta a diversi livelli di luce e ad altre condizioni ambientali.

La scoperta delle basi genetiche dei movimenti ritmici delle piante che affascinarono Charles Darwin più di un secolo fa potrebbe consentire agli scienziati di progettare colture in grado di crescere molto più velocemente e di produrre più cibo rispetto alle varietà più produttive odierne.

"Questo articolo si basa sulle nostre precedenti scoperte secondo cui quasi tutti i geni delle piante vengono espressi solo in un momento particolare della giornata", ha affermato il ricercatore dell'Howard Hughes Medical Institute. Joanne chory, Ph.D., professore presso il Plant Biology Laboratory del Salk Institute, che ha guidato lo studio attuale.

"Quello che abbiamo scoperto è un'intera serie di geni che potrebbero essere i veri e propri interruttori molecolari che definiscono la crescita delle piante a livello molecolare", ha affermato Steve Kay, Ph.D., Preside della Divisione di Scienze Biologiche dell'UC San Diego e uno dei leader del team di ricerca. "Più comprendiamo questi meccanismi genetici e come attivano e disattivano la crescita delle piante, meglio saremo in grado di progettare colture su misura per aumentare la nostra produzione di cibo e carburante per la popolazione mondiale in rapida crescita".

Il modo in cui le piante crescono per massimizzare la loro sopravvivenza in diversi ambienti affascina da sempre i biologi. Nel 1880, Charles Darwin pubblicò Il potere del movimento nelle piante, uno dei suoi libri meno noti in cui descrive i suoi studi sul modo in cui diversi tipi di piante crescono e si muovono in risposta a vari stimoli.

Mentre la maggior parte delle persone potrebbe supporre che le piante crescano a un ritmo lento e costante durante il giorno e la notte, Darwin e altri scoprirono che crescono a scatti notturni regolari, con i fusti delle piante che si allungano più velocemente nelle ore appena prima dell'alba. Guarda il video sulla crescita dei germogli di soia su: http://www.biology.ucsd.edu/scicomm/video/bigbeansprout.mov

"Le piante crescono in realtà in modo ritmico", ha detto Kay. "Alcune piante, come il sorgo, hanno la capacità di allungarsi di un centimetro o più ogni notte."

Perché le piante abbiano sviluppato meccanismi per crescere ritmicamente di notte o nelle ore immediatamente precedenti l'alba è un mistero. Ma un'interazione simile tra sensori della luce, ormoni vegetali e ritmi circadiani, che porta a una crescita ritmica pronunciata delle piante durante determinate stagioni e quando sono ombreggiate da altre piante, ha un chiaro valore di sopravvivenza.

"Qualsiasi pianta in crescita si trova in una situazione in cui deve competere con le piante che le crescono intorno, quindi deve sviluppare modi per misurare il suo ambiente per poter competere", ha detto Kay. "Le cellule vegetali hanno fitocromi, che sono essenzialmente rilevatori di ombra che misurano il rapporto tra i diversi colori della luce e possono dire a una pianta se è una giornata nuvolosa o se è ombreggiata da un'altra pianta. Ed essere ombreggiati da un'altra pianta è una cattiva notizia, perché quella pianta sta divorando tutta la luce del colore giusto per la fotosintesi. Se le piante rilevano di essere ombreggiate, stimolano gli ormoni della crescita ad allungarsi. Lo si può vedere all'estremo quando si lascia qualcosa sul prato e l'erba intorno è cresciuta più alta".

Per determinare quali geni controllano questi modelli ritmici di crescita, il team di ricerca si è rivolto a Arabidopsis thaliana, una piccola pianta di senape utilizzata come modello di laboratorio dai genetisti vegetali. Perché ArabidopsisPoiché la pianta, come molte altre piante, cresce più rapidamente nelle ore precedenti l'alba, quando esposta ai cicli di luce diurna e notturna, gli scienziati hanno cercato di determinare quali dei suoi geni fossero attivati durante quel periodo. Utilizzando chip di microarray di DNA, sono stati in grado di testare migliaia di geni contemporaneamente per determinare quali fossero attivi in quel periodo.

"Abbiamo effettuato centinaia di migliaia di misurazioni", ha affermato il primo autore Todd Michael, Ph.D., ex ricercatore post-dottorato al Salk Institute e ora professore associato di genomica e bioinformatica presso il Waksman Institute e la Rutgers University, "e poi ci siamo chiesti quali geni vengono attivati ritmicamente e sono correlati a questo schema di crescita ritmica appena prima dell'alba. Quello che abbiamo scoperto è che un intero gruppo di geni, tutti sparsi per il Arabidopsis I genomi che si occupano della biosintesi ormonale, della segnalazione ormonale e del metabolismo ormonale sono tutti strettamente correlati con la crescita ritmica delle piante. Questo ci ha suggerito che questo insieme di geni potrebbe essere la vera e propria firma che definisce la crescita delle piante a livello molecolare."

Gli scienziati hanno affermato che questi geni disparati agiscono insieme per regolare la crescita ritmica delle piante, proprio come un cancello con i cardini controllati dai fotorecettori e dall'orologio biologico: si apre nelle ore che precedono l'alba per consentire a un'ondata di molteplici ormoni della crescita delle piante di agire all'interno delle cellule, quindi la chiusura del cancello frena la crescita delle piante fino al successivo ciclo di 24 ore.

"Questa integrazione temporale dei percorsi ormonali consente alle piante di calibrare con precisione le risposte dei fitormoni per una regolazione della crescita stagionale e adeguata all'ombra", scrivono nel loro articolo. "Molti geni diversi degli ormoni vegetali, compresi quelli che promuovono e inibiscono la crescita, vengono co-espressi nel momento della giornata in cui le piante crescono", ha affermato Chory. "L'esistenza di un modulo di regolazione genica così esteso è stata una vera sorpresa".

Per illustrare il loro modello, gli scienziati hanno attaccato un enzima luminoso, la luciferasi, ai geni che hanno identificato come responsabili della crescita ritmica in Arabidopsis piante. Mentre le piante attraversano la loro fase di crescita ritmica, Arabidopsis Le piante si illuminano e si spengono quando i geni che regolano l'apertura e la chiusura del cancello degli ormoni vegetali vengono attivati e poi disattivati. Guarda il video con la narrazione a: http://www.biology.ucsd.edu/scicomm/video/sprouts.mov

Gli scienziati hanno anche scoperto che la maggior parte dei geni coinvolti in questa crescita ritmica prima dell'alba hanno una sequenza di DNA in comune, un controllore principale che hanno soprannominato elemento HUD, ovvero "ormone che si alza all'alba". Questo elemento HUD, hanno osservato, deve avere una proteina a cui si lega e che ne regola la funzione.

"Non sappiamo di cosa si tratti, perché non l'abbiamo ancora trovato", ha detto Kay. "Identificare questo regolatore proteico sarà un obiettivo fondamentale per il futuro, perché quella proteina sarà molto, molto importante per controllare la crescita e la resa delle piante".

"È un momento molto emozionante per i biologi", ha aggiunto Chory, "perché ora esistono gli strumenti per rispondere a domande su processi complessi, come ad esempio come crescono le piante o come si altera il metabolismo umano".

Tra gli altri coautori figurano i ricercatori post-dottorato dell'UCSD Ghislain Breton, Ph.D., e Samuel Hazen, Ph.D., nonché il professore associato di biologia del genoma Todd Mockler, Ph.D., e lo studente laureato Henry Priest, entrambi presso l'Oregon State University.

Lo studio è stato sostenuto da sovvenzioni dell'Howard Hughes Medical Institute, del National Institutes of Health e della National Science Foundation.

Il Salk Institute for Biological Studies di La Jolla, in California, è un'organizzazione indipendente senza scopo di lucro dedicata alle scoperte fondamentali nelle scienze della vita, al miglioramento della salute umana e alla formazione delle future generazioni di ricercatori. Il Dott. Jonas Salk, il cui vaccino contro la poliomielite ha praticamente debellato la malattia invalidante poliomielite nel 1955, ha inaugurato l'istituto nel 1965 grazie alla donazione di un terreno da parte della città di San Diego e al sostegno finanziario della March of Dimes.