Quando una pianta avverte un'invasione microbica, apporta cambiamenti radicali nella sua chimica di proteine - le molecole di lavoro della vita - all'interno delle sue cellule
In tempo di guerra, le fabbriche si riorganizzano per supportare le esigenze della battaglia. Le catene di montaggio cambiano rotta dalla produzione di parti di automobili alle mitragliatrici o dalla costruzione di lavatrici ai motori degli aerei.
A sentirlo dire dalla dottoressa Xinnian Dong (1) (2), professoressa presso la Duke University, anche le piante possono passare dalla produzione in tempo di pace a quella in tempo di guerra.
Sotto stress, gli eucarioti in genere riprogrammano il loro traslatoma attraverso la fosforilazione mediata da GCN2 del fattore di inizio della traduzione eucariotica, eIF2a, per inibire l'inizio della traduzione generale mentre traducono selettivamente i regolatori dello stress essenziali. Inaspettatamente, nelle piante, l'immunità innescata da pattern (PTI) e la risposta ad altri stress ambientali si verificano indipendentemente dal percorso GCN2/eIF2a.
I raccolti e altre piante sono spesso attaccati da batteri, virus e altri agenti patogeni.
Negli ultimi anni, la professoressa Dong e il suo team hanno attuato la loro metodologia. In un nuovo studio pubblicato sulla rivista Cell (3), Xinnian Dong (4) e il primo autore Jinlong Wang rivelano i componenti chiave nelle cellule vegetali che riprogrammano i loro macchinari per la produzione di proteine per combattere le malattie.
Ogni anno, circa il 15% del raccolto (5) viene perso a causa di malattie batteriche e fungine, che costano all'economia globale circa 220 miliardi di dollari (6). Le piante fanno affidamento sul loro sistema immunitario per aiutarle a combattere, ha detto Dong.
A differenza degli animali, le piante non hanno cellule immunitarie specializzate che possono viaggiare attraverso il flusso sanguigno fino al sito dell'infezione; ogni cellula della pianta deve essere in grado di resistere e combattere per difendersi, passando rapidamente alla modalità 'battaglia'.
«Quando le piante vengono attaccate, spostano le loro priorità dalla crescita alla difesa, così le cellule iniziano a sintetizzare nuove proteine e sopprimono la produzione di altre. Quindi entro due o tre ore le cose tornano alla normalità», ha detto la dottoressa Dong.
Le decine di migliaia di proteine prodotte nelle cellule svolgono molti lavori: catalizzare reazioni, fungere da messaggeri chimici, riconoscere sostanze estranee, spostare materiali dentro e fuori. Per costruire una specifica proteina, le istruzioni genetiche nel DNA racchiuso all'interno del nucleo della cellula vengono trascritte in una molecola messaggera chiamata mRNA. Questo filamento di mRNA si dirige quindi nel citoplasma, dove una struttura chiamata ribosoma “legge” il messaggio e lo traduce in una proteina.
In uno studio del 2017 (7), Dong e il suo team hanno scoperto che quando una pianta viene infettata, alcune molecole di mRNA vengono tradotte in proteine più velocemente di altre. Ciò che queste molecole di mRNA hanno in comune, hanno scoperto i ricercatori, è una regione all'estremità anteriore del filamento di RNA con lettere ricorrenti nel suo codice genetico, dove le basi nucleotidiche adenina e guanina si ripetono più e più volte.
Nel nuovo studio, Dong, Wang e colleghi mostrano come questa regione lavora con altre strutture all'interno della cellula per attivare la produzione di proteine nel momento in cui si manifesta un “conflitto”.
Essi hanno dimostrato che quando le piante rilevano un attacco di agenti patogeni, i segnali molecolari che segnalano il solito punto di partenza per i ribosomi su cui atterrare e leggere l'mRNA vengono rimossi, il che impedisce alla cellula di produrre le sue tipiche proteine quando non avviene alcun attacco patogeno.
Invece, i ribosomi aggirano il solito punto di partenza per la traduzione, utilizzando la regione di As e G ricorrenti all'interno della molecola di RNA per l'aggancio e iniziano invece a leggere da lì.
«Per le piante, combattere le infezioni è un atto di equilibrio», ha detto Dong. Assegnare più risorse alla difesa va a scapito di tutte quelle risorse necessarie per la fotosintesi e altre attività essenziali alla salute delle piante. La produzione di troppe proteine di difesa può creare danni collaterali: le piante con un sistema immunitario iperattivo subiscono una crescita stentata.
Gli scienziati sperano di trovare nuovi modi per progettare colture resistenti alle malattie senza compromettere la resa.
Il team di Dong ha condotto la maggior parte dei suoi esperimenti in una pianta simile alla senape chiamata Arabidopsis thaliana. «Ma sequenze di mRNA simili sono state trovate in altri organismi, inclusi moscerini della frutta, topi e esseri umani, quindi potrebbero svolgere un ruolo più ampio nel controllo della sintesi proteica nelle piante e negli animali allo stesso modo», ha concluso Dong.
Questo lavoro è stato sostenuto da sovvenzioni della National Science Foundation (IOS-645589, IOS-2041378), National Institutes of Health (R35-GM118036-06) e del Howard Hughes Medical Institute.
All'articolo “PABP/Purine-Rich-Motif as an Initiation Module for Cap-Independent Translation in Pattern-Triggered Immunity” (8), pubblicato dal giornale Cell, hanno collaborato: Jinlong Wang, Xing Zhang, George H Greene, Guoyong Xu, Xinnian Dong.
Riferimenti:
(1) Xinnian Dong
(2) Dong Lab | Plant Immunity and Microbe Interactions
(4) Jinlong Wang
(5) Genetic Engineering for Disease Resistance in Plants: Recent Progress and Future Perspectives
(6) New standards to curb the global spread of plant pests and diseases
(7) uORF-mediated translation allows engineered plant disease resistance without fitness costs
Descrizione foto: Le piante progettate per resistere ai batteri che causano malattie sono in grado di respingere le infezioni ma subiscono una crescita stentata (in alto a sinistra). Controllando il modo in cui le proteine di difesa vengono tradotte, gli scienziati sono stati in grado di rafforzare l'immunità delle piante senza causare danni collaterali (in basso a destra). - Credit: Guoyong Xu, Duke University.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Plants Reprogram Their Cells to Fight Invaders. Here’s How.