Poco ossigeno per produrre nuove foglie

I risultati di uno studio pubblicato di recente su ‘Nature’ e firmato da un team di ricercatori internazionali, che ha analizzato le cellule staminali in una zona normalmente poco accessibile di alcuni vegetali. Una scoperta dai risvolti interessanti, che potrà aiutare a selezionare varietà in grado di crescere normalmente in condizioni di stress ambientali.
Sara Mohammad, 29 Maggio 2019
Micron
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Comunicazione della scienza e neuroscienze

Per svolgere i loro compiti, le cellule di tutti gli organismi complessi consumano ossigeno in grandi quantità. Alcuni gruppi di cellule staminali, tuttavia, prediligono concentrazioni di ossigeno ridotte per dividersi e differenziarsi.
Di questi gruppi fanno parte ora anche le staminali vegetali, come rivela uno studio pubblicato di recente su Nature e firmato da un team di ricercatori internazionali.
Secondo le loro conclusioni, il meristema del germoglio apicale, la nicchia di cellule indifferenziate che dà origine a foglie, fiori e frutti, lavora normalmente in condizioni di ipossia, cioè a concentrazioni di ossigeno inferiori (circa un quarto) a quelle che si registrano nell’aria.
Francesco Licausi (professore associato all’Università di Pisa e affiliato al PlantLab della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa) e il suo team hanno misurato per la prima volta la concentrazione di ossigeno in questa zona della pianta poco accessibile, che si trova alla base dei germogli, misura all’incirca cinquanta micrometri ed è composta da un centinaio di cellule ben nascoste sotto strati di foglie appena nate.
«Il meristema apicale del germoglio lo si può immaginare come una cupola, dalla quale fuoriescono periodicamente protuberanze che poi si allungano e si schiacciano, fino a diventare foglie», spiega Licausi a micron. «Noi lo abbiamo attraversato dall’alto verso il basso e dall’esterno verso l’interno e abbiamo visto che il centro di questa cupola ha i livelli più bassi di ossigeno».
Per sapere se nel meristema è presente ossigeno, i ricercatori hanno prima sfruttato la capacità di alcune sequenze di DNA di attivarsi in risposta a determinati segnali (come, in questo caso, la concentrazione di ossigeno) e di controllare geni a valle che, se attivati, esprimono una proteina fluorescente.
Quindi hanno adoperato un sensore di tipo Clark per misurare la concentrazione effettiva del gas nell’ambiente cellulare.
«L’elettrodo Clark è una sonda miniaturizzata che sfrutta una reazione di ossido-riduzione per rilevare la concentrazione di ossigeno nei fluidi biologici», chiarisce Licausi. In una nuova versione di dimensioni microscopiche (ha un diametro di circa dieci micrometri), l’elettrodo ha potuto raggiungere le cellule staminali nel meristema apicale del germoglio, su cui nessun altro esperimento finora si era concentrato da questo particolare punto di vista.
Sia nelle staminali di Arabidopsis thaliana (l’organismo modello degli studi in biologia vegetale) sia nelle staminali del pomodoro “Micro-Tom” (una varietà di pomodoro usata spesso nei laboratori), i ricercatori hanno scoperto livelli di ossigeno più bassi di quelli che si aspettavano, dal momento che le cellule staminali in generale hanno tassi di metabolismo e respirazione elevati, due processi che richiedono un apporto notevole di ossigeno.
Questa scoperta ha risvolti interessanti, perché la capacità delle staminali vegetali di funzionare in condizioni di ipossia potrebbe aiutare a selezionare varietà in grado di crescere normalmente in condizioni di stress ambientali (per esempio ad alte temperature) o di microgravità, condizioni nelle quali l’ossigeno a disposizione si riduce o il suo trasporto nei tessuti è ostacolato.
«Quando si verifica una carenza di ossigeno, per esempio quando la pianta si trova immersa nell’acqua», prosegue Licausi, «ci sono due possibilità: una è rallentare il metabolismo e aspettare che il livello dell’acqua si abbassi da sé», cosa che succede quando smette di piovere. «Se invece la pianta è abituata a un ambiente in cui l’immersione dura a lungo, può cercare di emergere dall’acqua crescendo a dismisura». In tal caso il metabolismo aumenta.
Licausi e colleghi hanno indagato anche i meccanismi molecolari che consentono alle staminali di svolgere le loro funzioni in presenza di poco ossigeno, scoprendo che la proteina ZPR2, già nota per controllare il tasso di produzione di foglie nuove, è stabile a basse concentrazioni di ossigeno: se queste concentrazioni aumentano, l’attività della proteina è compromessa e, di conseguenza, anche lo sviluppo della pianta.
In futuro sarebbe utile approfondire ulteriormente questi processi, per esempio conoscere i target molecolari che rimangono sotto il controllo di ZPR2 (che ha la funzione di attivare o reprimere l’espressione genica), e capire se meccanismi analoghi a quelli appena descritti su Nature sono presenti anche nelle staminali degli organismi animali, il cui potenziale terapeutico rappresenta una frontiera sempre più promettente della ricerca biomedica.

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