Gli scienziati hanno decodificato i segnali che le piante inviano a se stesse per avviare la fotosintesi, ovvero il processo di trasformazione della luce solare in zuccheri
La luce avvia la biogenesi dei cloroplasti in 'Arabidopsis thaliana' (una piccola pianta annuale o biennale appartenente alla Famiglia delle Brassicacee) eliminando i FATTORI di trascrizione PHYTOCHROME-INTERACTING (PIF), che a sua volta de-reprime i geni della fotosintesi nucleare e, in modo sincrono, genera un segnale da nucleo a plastide (anterogrado) che attiva il tipo batterico codificato dal plastide RNA polimerasi (PEP) per trascrivere i geni della fotosintesi plastidica. Tuttavia, l'identità del segnale anterogrado rimane frustrantemente sfuggente. La sfida principale è stata la difficoltà di distinguere i regolatori dalla pletora di componenti necessari per la trascrizione dei plastidi e altre funzioni essenziali dei cloroplasti, come la fotosintesi.
Per decenni, gli scienziati sono stati sconcertati dai segnali che le piante inviano a se stesse per avviare la fotosintesi, il processo di trasformazione della luce solare in zuccheri. I ricercatori della UC Riverside hanno ora decodificato quei segnali precedentemente opachi.
Da mezzo secolo i botanici sanno che il centro di comando di una cellula vegetale, il nucleo, invia istruzioni ad altre parti della cellula, costringendole ad andare avanti con la fotosintesi. Queste istruzioni si presentano sotto forma di proteine e senza di esse le piante non diventeranno verdi né cresceranno.
«La nostra sfida era che il nucleo codificasse centinaia di proteine contenenti elementi costitutivi per gli organelli più piccoli. Determinare quali sono il segnale per innescare la fotosintesi è stato come trovare aghi in un pagliaio», ha detto il professore di botanica dell'UCR Meng Chen. (1)
Il processo utilizzato dagli scienziati del laboratorio di Chen per trovare quattro di queste proteine è ora documentato in un articolo di Nature Communications. (2)
In precedenza, il team di Chen aveva dimostrato (3) che alcune proteine nei nuclei delle piante vengono attivate dalla luce, dando il via alla fotosintesi. Queste quattro proteine appena identificate fanno parte di quella reazione, inviando un segnale che trasforma piccoli organi in cloroplasti, che generano zuccheri che alimentano la crescita.
Chen paragona l'intero processo di fotosintesi a una sinfonia. «I conduttori della sinfonia sono proteine nel nucleo chiamate fotorecettori che rispondono alla luce. Abbiamo mostrato in questo articolo che i fotorecettori sensibili alla luce rossa e blu danno inizio alla sinfonia. Attivano i geni che codificano i mattoni della fotosintesi».
La situazione unica, in questo caso, è che la sinfonia viene eseguita in due “stanze” della cella, da musicisti sia locali (nucleo) che remoti. In quanto tali, i conduttori (fotorecettori), che sono presenti solo nel nucleo, devono inviare dei messaggi a distanza ai musicisti distanti. Quest'ultimo passaggio è controllato dalle quattro proteine appena scoperte che viaggiano dal nucleo ai cloroplasti.
Questo lavoro è stato finanziato dal National Institutes of Health, nella speranza che possa aiutare per scoprire una cura per il cancro. Questa speranza si basa sulle somiglianze tra i cloroplasti nelle cellule vegetali e i mitocondri nelle cellule umane. Entrambi gli organelli generano carburante per la crescita ed entrambi ospitano materiale genetico.
Attualmente, molte ricerche descrivono la comunicazione dagli organelli al nucleo. Se qualcosa non va con gli organelli, invieranno segnali al “quartier generale” del nucleo. Molto meno si sa sui segnali di regolazione dell'attività inviati dal nucleo agli organelli.
Il dottor Meng Chen aggiunge: «Il nucleo può controllare l'espressione dei geni mitocondriali e dei cloroplasti in modo simile. Quindi, i principi che apprendiamo dal percorso di comunicazione nucleo-cloroplasto potrebbero favorire la nostra comprensione di come il nucleo regola i geni mitocondriali e la loro disfunzione nel cancro».
L'importanza di capire come viene controllata la fotosintesi ha applicazioni che vanno oltre la ricerca sulle malattie. Gli insediamenti umani su un altro pianeta richiederebbero probabilmente l'agricoltura indoor e la creazione di uno schema leggero per aumentare i raccolti in quell'ambiente. Ancor più immediatamente, il cambiamento climatico sta ponendo sfide ai coltivatori di questo pianeta.
Il ricercatore conclude dicendo: «Il motivo per cui possiamo sopravvivere su questo pianeta è perché organismi come le piante possono fare la fotosintesi. Senza di loro non ci sarebbero gli animali, compresi gli esseri umani. Una piena comprensione e capacità di manipolare la crescita delle piante è vitale per la sicurezza alimentare».
Riferimenti:
(1) Meng Chen
(3) Scientists can switch on plants’ response to light
Descrizione foto: Luce solare che attiva la fotosintesi in una pianta in fiore. - Credit: PxHere.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Decoding the secret language of photosynthesis