Una vista ingrandita di uno stoma sulla foglia di a Tradescantia albiflora albovittata pianta, comunemente nota come pianta gigante di pollice bianco. Credito: Douglas Clark
Una scoperta significativa sui meccanismi con cui le piante aprono e chiudono i loro stomi potrebbe portare a nuovi metodi per proteggere le colture dagli effetti del cambiamento climatico, in particolare dall'aumento dei livelli di anidride carbonica nell'atmosfera.
Sebbene la respirazione sia spesso data per scontata come un processo involontario, in realtà è un meccanismo complesso. I biologi stanno ora acquisendo una comprensione più profonda delle complessità della respirazione nelle piante, con importanti implicazioni per soddisfare le future esigenze alimentari del mondo.
Un team di ricercatori dal University of California San Diego, in collaborazione con scienziati estoni e finlandesi e finanziato dal US National Science Foundation, hanno scoperto un percorso molecolare precedentemente sconosciuto che le piante usano per controllare la loro assunzione di anidride carbonica. I ricercatori ritengono che utilizzando questo meccanismo, potrebbe essere possibile migliorare l'efficienza dell'uso dell'acqua e l'assunzione di carbonio delle piante, il che è cruciale poiché i livelli di anidride carbonica nell'atmosfera continuano a salire. Alla luce di ciò, il team ha depositato un brevetto e sta esplorando modi per applicare le proprie scoperte allo sviluppo di strumenti per coltivatori e agricoltori.
La ricerca è stata recentemente pubblicata sulla rivista Anticipi Scienza.
Una vista ingrandita di molti stomi vegetali sulla foglia di a Begonia rex cultorum pianta. La larghezza di ogni stoma è di circa 80 micron. Credito: Douglas Clark
Stomi, quindi cosa?
Le piante assorbono anidride carbonica e acqua e poi usano la luce per trasformarle nei nutrienti di cui hanno bisogno per crescere. Questo processo emette anche ossigeno, che poi gli esseri umani e altri animali respirano. Questo è il riassunto di base di fotosintesi. Ma come funziona esattamente?
Il processo diventa un po' più chiaro a livello microscopico. Sul lato inferiore delle foglie e altrove, a seconda della pianta, ci sono minuscole aperture chiamate stomi, migliaia per foglia con variazioni a seconda della specie vegetale. Come i piccoli cancelli di un castello, coppie di cellule ai lati del poro stomatico, note come cellule di guardia, aprono il loro poro centrale per assorbire l'anidride carbonica. Tuttavia, quando gli stomi sono aperti, l'interno della pianta è esposto agli elementi e l'acqua della pianta si perde nell'aria circostante, che può seccare la pianta. Le piante, quindi, devono bilanciare l'assunzione di anidride carbonica con la perdita di vapore acqueo controllando per quanto tempo gli stomi rimangono aperti.
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Un video ad alto ingrandimento di un singolo stoma che si apre e si chiude su una foglia di una pianta di Tradescantia spathacea, comunemente nota come giglio di barca. Credito: Douglas Clark
"La risposta ai cambiamenti è fondamentale per la crescita delle piante e regola l'efficienza della pianta nell'utilizzo dell'acqua, il che è importante in quanto assistiamo a un aumento della siccità e all'aumento delle temperature", ha affermato Julian Schroeder, presidente del Torrey Mesa Research Institute in scienze delle piante presso l'UC San Diego, che ha guidato la nuova ricerca.
Man mano che il clima cambia, aumentano sia la concentrazione di anidride carbonica atmosferica che la temperatura, influenzando l'equilibrio tra l'ingresso di anidride carbonica e la perdita di vapore acqueo attraverso gli stomi. Se le piante, in particolare colture come grano, riso e mais, non riescono a raggiungere un nuovo equilibrio, rischiano di seccarsi, gli agricoltori rischiano di perdere una produzione preziosa e più persone in tutto il mondo rischiano di soffrire la fame. Anche con i progressi dell'agricoltura, uno studio finanziato dalla NSF pubblicato nel 2021 ha rilevato che la produttività agricola globale negli ultimi 60 anni è ancora inferiore del 21% rispetto a quanto avrebbe potuto essere senza il cambiamento climatico.
Gli scienziati hanno da tempo compreso gli stomi e l'equilibrio tra l'assunzione di anidride carbonica e la perdita di acqua. Quello che non sapevano, fino ad ora, è come le piante percepiscono l'anidride carbonica per segnalare agli stomi di aprirsi e chiudersi in risposta al cambiamento dei livelli di anidride carbonica. Sapere questo consentirà ora ai ricercatori di modificare quei segnali - in modo che le piante possano trovare il giusto equilibrio tra l'assunzione di anidride carbonica e la perdita di acqua - e consentirà a scienziati e coltivatori di piante di produrre raccolti abbastanza robusti per l'ambiente del futuro.
Chiamare le guardie
I ricercatori hanno identificato una serie di proteine che funzionano come una catena di soldati che percepiscono il livello di anidride carbonica e gridano "CHIUDI I CANCELLI!" per far rilassare le cellule di guardia e chiudere gli stomi.
"Scoprire che il sensore di CO2 nelle piante è costituito da due proteine è stato illuminante e potrebbe essere una ragione per cui il meccanismo non era stato identificato fino ad ora", ha detto Schroeder. "Il supporto della NSF negli ultimi due decenni è stato fondamentale per individuare questo percorso sfuggente".
"Questo lavoro è un meraviglioso esempio di ricerca guidata dalla curiosità che riunisce diverse discipline - dalla genetica alla modellazione alla biologia dei sistemi - e si traduce in nuove conoscenze con la capacità di aiutare la società, in questo caso producendo raccolti più robusti", ha affermato Matthew Buechner, direttore del programma presso la direzione per le scienze biologiche della NSF.
In un ambiente a basso contenuto di anidride carbonica in cui la pianta ha bisogno di mantenere gli stomi aperti più a lungo per ottenere la quantità di cui ha bisogno per la fotosintesi, una proteina nota come HT1 attiva un enzima che costringe le cellule di guardia a gonfiarsi, mantenendo aperto lo stoma.
Quando la pianta rileva un aumento dei livelli di anidride carbonica, una seconda proteina impedisce alla prima di mantenere gli stomi aperti e gli stomi chiusi. Se gli stomi si chiudono prima che la pianta possa ottenere risorse sufficienti per la fotosintesi, la resa agricola può essere inferiore o inesistente.
"Determinare in che modo le piante controllano i loro stomi al variare dei livelli di CO2 crea un diverso tipo di apertura: uno a nuove strade di ricerca e possibilità per affrontare le sfide della società", ha affermato Richard Cyr, direttore del programma NSF che ha studiato biologia delle cellule vegetali prima di entrare a far parte dell'agenzia .
Riferimento: “Stomatica CO2/il sensore di bicarbonato è costituito da due protein chinasi interagenti, HT1 simile a Raf e attività non chinasica che richiedono MPK12/MPK4″ di Yohei Takahashi, Krystal C. Bosmans, Po-Kai Hsu, Karnelia Paul, Christian Seitz, Chung-Yueh Yeh , Yuh-Shuh Wang, Dmitry Yarmolinsky, Maija Sierla, Triin Vahisalu, J. Andrew McCammon, Jaakko Kangasjärvi, Li Zhang, Hannes Kollist, Thien Trac e Julian I. Schroeder, 7 dicembre 2022, Anticipi Scienza.
DOI: 10.1126/sciadv.abq6161
Lo studio è stato finanziato dalla National Science Foundation
