I segreti della fotosintesi della quillwurzel potrebbero aumentare l'efficienza delle colture

I segreti della fotosintesi della quillwurzel potrebbero aumentare l'efficienza delle colture

I ricercatori esplorano come le piante acquatiche regolano la fotosintesi per competere con l'anidride carbonica sott'acqua

LA JOLLA—Le umili quillwort sono un antico gruppo di circa 250 piccole piante acquatiche, ampiamente ignorate dai botanici moderni. Ora, gli scienziati del Salk, insieme ai ricercatori del Boyce Thompson Institute, hanno sequenziato il primo genoma di quillwort e scoperto alcuni segreti del metodo unico di fotosintesi di questa pianta, segreti che potrebbero portare alla progettazione di colture con un uso più efficiente dell'acqua e della cattura del carbonio per affrontare il cambiamento climatico. I risultati sono stati pubblicati su Nature Communications Il novembre 3, 2021.

"Le piante sono davvero straordinarie nello sviluppare nuove strategie per estrarre risorse come il carbonio dal loro ambiente", afferma l'autore corrispondente Todd Michael, professore di ricerca presso il Laboratorio di Biologia Molecolare e Cellulare delle Piante. "Sfruttando questa ingegnosità su una serie di piante uniche come Isoeti stiamo sviluppando una serie di strumenti per progettare le piante del futuro in modo che assorbano più carbonio."

La maggior parte delle piante respira anidride carbonica (CO₂) durante il giorno e usano la luce solare per trasformare il gas in zuccheri. Ma le piante nelle regioni aride si sono evolute per respirare CO₂ di notte invece. Questa strategia, chiamata fotosintesi CAM, aiuta le piante a evitare la perdita di acqua durante il giorno.

Quarant'anni fa, le quillworts, piante del genere Isoeti—sono diventati il primo gruppo di piante acquatiche a utilizzare la fotosintesi CAM. La perdita d'acqua durante il giorno non è chiaramente un problema per le piante acquatiche. Invece, le quillworts usano la CAM per catturare CO₂ disciolto in acqua e conservato durante la notte, per evitare di competere con altre piante e organismi acquatici, come le alghe, che durante il giorno riducono il gas nei livelli dell'acqua.

“Come piante acquatiche, Isoeti hanno sviluppato la fotosintesi CAM in un ambiente fondamentalmente diverso rispetto alle piante terrestri in habitat secchi", afferma l'autore co-corrispondente Fay-Wei Li, professore associato presso il Boyce Thompson Institute e professore associato presso la Cornell University.

Per studiare i meccanismi genetici che regolano il processo di fotosintesi CAM delle quillworts, il team ha assemblato un genoma per la specie di quillworts Isoetes taiwanensisIl team ha utilizzato il genoma per identificare i geni del pathway CAM e per esaminarne i modelli di attività (ciò che gli scienziati chiamano espressione genica), incluso il modo in cui tali modelli cambiano durante il ciclo giorno/notte. Una differenza notevole tra la CAM nelle piante di arbusto e quelle terrestri è la funzione dell'enzima fosfoenolpiruvato carbossilasi (PEPC). Tutte le piante hanno due tipi di PEPC: di tipo vegetale, noto da tempo per il suo ruolo essenziale nella fotosintesi; e di tipo batterico, che assomiglia alla PEPC presente nei batteri.

"In tutte le altre piante, il PEPC di tipo batterico svolge un ruolo in una serie di processi metabolici ma non nella fotosintesi", ha affermato David Wickell, uno studente laureato nel laboratorio di Li e primo autore dello studio. "In Isoeti, entrambi i tipi sembrano essere coinvolti nella CAM, qualcosa che non è stato riscontrato in nessun'altra pianta e indica un ruolo distinto per il PEPC di tipo batterico nella CAM acquatica."

Le piante possiedono un meccanismo di sincronizzazione interno chiamato orologio circadiano che garantisce che i processi biologici si verifichino al momento giusto. In studi precedenti, il laboratorio di Michael ha dimostrato che quasi tutta l'espressione genica è controllata dall'orologio circadiano e che questo meccanismo era condiviso da tutte le piante testate. Isoeti sono le prime piante ad oggi dotate di un sistema circadiano unico, con livelli di espressione di alcuni regolatori del ritmo che raggiungono il picco in diversi momenti della giornata. I risultati forniscono informazioni cruciali sui nuovi meccanismi utilizzati dalle piante per catturare il carbonio.

I risultati potrebbero essere utilizzati per modificare geneticamente le colture in modo che resistano meglio agli stress ambientali. Wickell afferma che l'idea è entusiasmante, ma la chiave sarebbe manipolare i geni dell'orologio circadiano che regolano i componenti della CAM per aiutare le piante a diventare più efficienti nel conservare l'acqua o a sfruttare meglio la CO2 disponibile.₂.

Altri autori includono Nolan T. Hartwick di Salk; Li-Yaung Kuo della National Tsing Hua University di Taiwan; Hsiao-Pei Yang del Boyce Thompson Institute; Amra Dhabalia Ashok, Iker Irisarri, Armin Dadras, Sophie de Vries e Jan de Vries dell'Università di Goettingen in Germania; Yao-Moan Huang del Taiwan Forestry Research Institute; Zheng Li dell'Università del Texas ad Austin; e Michael S. Barker dell'Università dell'Arizona.

Il lavoro è stato finanziato dal Boyce Thompson Institute, dall'European Research Council (ERC) e dall'International Max Planck Research School (IMPRS) per la scienza del genoma.

Pubblicato per gentile concessione di Boyce Thompson Institute.

Informazioni sul Boyce Thompson Institute:
Inaugurato nel 1924, il Boyce Thompson Institute è un importante istituto di ricerca sulle scienze della vita con sede a Ithaca, New York. Gli scienziati del BTI conducono ricerche fondamentali sulle scienze vegetali e della vita con l'obiettivo di aumentare la sicurezza alimentare, migliorare la sostenibilità ambientale in agricoltura e fare scoperte fondamentali che miglioreranno la salute umana. In tutto questo lavoro, il BTI si impegna a ispirare e istruire gli studenti e a fornire una formazione avanzata per la prossima generazione di scienziati. Il BTI è un istituto di ricerca indipendente senza scopo di lucro, affiliato anche alla Cornell University. Per ulteriori informazioni, visitare il sito. BTIscience.org.

DOI: 10.1038/s41467-021-26644-7