Come la temperatura fredda influisce sulla crescita delle piante

Nelle mattine fredde e luminose puoi rannicchiarti sotto il piumone o saltare in piedi e cogliere l'attimo. 

Tuttavia, per le piante fotosintetizzanti, questo tipo di alba rappresenta un pericolo, quindi hanno evoluto il loro modo di rendere tollerabili le mattine fredde. 

La ricerca condotta dal John Innes Centre ha scoperto un meccanismo di "coping" del freddo che è sotto il controllo dell'orologio biologico delle piante e potrebbe offrire soluzioni per allevare una maggiore resilienza in colture meno adatte ai climi freddi.

"Abbiamo identificato un nuovo processo che aiuta le piante a tollerare il freddo. È controllato dall'orologio biologico delle piante e pensiamo che potrebbe essere particolarmente importante nelle mattine fredde e luminose", afferma il professor Antony Dodd, leader del gruppo presso il John Innes Centre.

"Colture come il grano invernale e la colza invernale subiscono il freddo temperature per i periodi della loro coltivazione", continua. "Pensiamo che il meccanismo che abbiamo scoperto potrebbe fornire una maggiore resilienza della fotosintesi alle basse temperature. Rappresenta un obiettivo interessante per la futura selezione di precisione di colture resilienti al clima".

Le basse temperature possono danneggiare le cellule vegetali, in particolare se combinate con troppa luce o durante le temperature di congelamento. Ecco perché quelle mattine fredde e luminose sono così pericolose per le piante.

I ricercatori volevano sapere come le informazioni sulle basse temperature vengono comunicate ai cloroplasti, il sito di fotosintesi all'interno di una cellula vegetale, essenziale per tutte le nostre principali colture.

I cloroplasti contengono il loro piccolo genoma che riflette il loro passato evolutivo come batteri fotosintetici, prima di essere inghiottiti e cooptati dalle piante per svolgere la fotosintesi. Nel corso dell'evoluzione molti geni del cloroplasto si sono trasferiti al Genoma nucleare delle piante, ma i cloroplasti hanno mantenuto alcuni geni essenziali.

In questa ricerca, il team si è concentrato su uno di questi lasciti genetici batterici chiamato fattore sigma (SIG5). Nei batteri, fattori sigma comparabili contribuiscono alle risposte alla temperatura.

In esperimenti condotti in condizioni di laboratorio controllate, hanno manipolato le condizioni di luce e sottoposto le piante a periodi di raffreddamento.

La rimozione delle piante dal ciclo giorno-notte consente ai ricercatori di studiare meglio i ritmi di funzionamento libero dell'orologio biologico o circadiano della pianta. Nelle piante, come negli esseri umani, l'orologio è allineato al ciclo di 24 ore, offrendo una misura del tempo all'interno delle cellule e regolando una serie di processi biologici essenziali.

Gli esperimenti hanno mostrato la sensibilità del gene SIG5 al trattamento del freddo al mattino presto, sotto il controllo dell'orologio circadiano.

Il team teorizza che SIG5 Funziona come parte di una rete di segnalazione che collega il nucleo della pianta ai cloroplasti, regolando le attività che possono proteggere la pianta dagli effetti ambientali dannosi.

"Se la temperatura è fredda, alcuni enzimi coinvolti nella fotosintesi si rompono rapidamente", spiega il professor Dodd. "Quindi, pensiamo che il processo che è controllato dal nucleo segnali nel cloroplasto per produrre più di queste proteine. Quando la pianta vede il freddo e la luce allo stesso tempo, ha bisogno di attivare questo processo di segnalazione dal nucleo ai cloroplasti per produrre più di queste proteine della fotosintesi".

Il ruolo dell'orologio biologico è quello di agire come un cancello che lascia passare il segnale o meno, un processo noto come gating circadiano.

"Le piante potrebbero essersi evolute per essere particolarmente reattive alla luce e al freddo, come in una mattina di primavera, perché queste sono le condizioni che danneggiano il sistema fotosintetico. Ad alcuni Durante l'evoluzione, hanno selezionato per questa sensibilità e cooptato questo antico meccanismo. Come molti processi di questo tipo nelle piante, questo risulta essere sotto il controllo dell'orologio circadiano".

Il meccanismo ha dimostrato di funzionare in laboratorio. La prossima fase di questa ricerca è comprendere l'impatto di questo processo sul campo. Un'applicazione intrigante è vedere se il meccanismo può essere modificato per aumentare ulteriormente la tolleranza al freddo, ad esempio per coltivare piante che sono meno tolleranti al freddo, come il mais, a latitudini più settentrionali. 

La ricerca è frutto di una collaborazione tra il John Innes Centre, l'Università di Bristol, il Tokyo Institute of Technology e la Nippon Telegraph and Telephone Corporation in Giappone e l'Università di Durham. 

I segnali di bassa temperatura e circadiani sono integrati dal fattore sigma SIG5, apparso in Nature Plants. 

DIDASCALIA – Il professor Antony Dodd osserva le piante con l'ausilio di un fluorimetro a modulazione di ampiezza dell'impulso (PAM), uno strumento che misura il tasso di fotosintesi nelle piante.

Immagine – Phil Robinson