Gli scienziati scoprono un meccanismo vegetale precedentemente sconosciuto e il suo impatto potrebbe essere enorme

Gli scienziati trovano quell’uscita meiotica Arabidopsi è guidato dall’inibizione della traduzione mediata dal corpo P

Albert Cairó, Karel Riha e i loro colleghi hanno scoperto un meccanismo precedentemente non identificato per riprogrammare l’espressione genica durante la transizione quando una cellula si differenzia in un’altra. Il meccanismo si verifica alla conclusione della meiosi, una divisione cellulare specializzata necessaria per la riproduzione sessuale, e consente alle cellule germinali e al polline di differenziarsi.

Questo meccanismo comporta la localizzazione dinamica di componenti regolatori essenziali in condensati intracellulari che assomigliano a goccioline liquide. Questo processo è direttamente legato alla produzione di semi e può offrire nuove strade per generare colture più sostenibili in grado di resistere a condizioni ambientali più difficili. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla prestigiosa rivista Scienza.

Le cellule non sono cose statiche; cambiano da un tipo all’altro. L’attivazione di un determinato insieme di geni influenza il modo in cui le cellule si specializzano nel completare compiti specifici e quando si dividono o si differenziano. Biologi cellulari come Albert Cairó e Karel Riha utilizzano una combinazione di sofisticati metodi scientifici per studiare il micromondo della pianta. La biologia cellulare sta attualmente subendo una rivoluzione, con la prospettiva tradizionale dell’organizzazione cellulare che viene ampliata a nuovi orizzonti.

“Ora sappiamo che la cellula non contiene solo organelli tradizionali delineati da una membrana, ma molti processi molecolari sono confinati all’interno di organelli privi di membrana meno definiti, chiamati anche condensati biomolecolari (biocondensati). Negli ultimi dieci anni, l’importanza di questi biocondensati ha iniziato a essere riconosciuta. Ora contribuiamo a questo campo mostrando come un tipo specifico di biocondensato si formi alla fine della meiosi e inibisca la sintesi proteica”, spiega Albert Cairó, il primo autore di questa ricerca.

“Questo, da un lato, pone fine ai processi meiotici, ma dall’altro segna l’inizio di una generazione di cellule geneticamente diversa”, aggiunge Cairó. Ma questo non è tutto. Il team di ricerca ritiene che meccanismi analoghi agiscano anche in altri organismi e contesti cellulari, inclusa la differenziazione cellulare o le risposte allo stress.

La scoperta dei membri del laboratorio di Karel Riha potrebbe avere un enorme impatto sulla società.

“Viviamo in uno stato di emergenza climatica. Anche se le piante possono combattere un’enorme varietà di stress, comprese le alte temperature e la siccità, il loro sviluppo e la loro riproduzione possono essere gravemente compromessi. Ciò significa che siamo a rischio di una drastica riduzione della resa delle colture, proprio quando la resa deve essere aumentata per soddisfare i bisogni umani. Ed è per questo che la ricerca sulle piante dovrebbe ora essere una delle priorità”, spiega l’autore corrispondente e leader del gruppo di ricerca Karel Riha.

La missione principale del laboratorio è fare luce sui processi biologici fondamentali strettamente legati alla riproduzione delle piante e alla formazione dei semi, che in molte colture si traduce in resa.

“I risultati della ricerca mostrano che i condensati biomolecolari svolgono un ruolo importante nella fertilità delle piante e il loro comportamento è probabilmente legato allo stress ambientale. È quindi ovvio che la nostra scoperta è il primo passo nello sviluppo di nuove soluzioni che portano a una produzione agricola sostenuta in condizioni più difficili”, spiega Albert Cairó.

Gli approcci tecnici che il team ha dovuto eseguire sono davvero ammirevoli e la pubblicazione di questa ricerca in Scienza è rassicurante che il laboratorio di Riha stia andando nella giusta direzione.

Il percorso della scoperta

Studio della meiosi nella pianta modello Arabidopsis thaliana è particolarmente impegnativo. Il team di ricerca si è concentrato su cellule straordinarie e rare nascoste in piccoli boccioli floreali di 0,1-0,4 mm. Inoltre, le fasi della divisione meiotica che sono al centro dello studio si verificano rapidamente: l’intero processo richiede dalle cinque alle sei ore. Pertanto, non sono facili da catturare. Il team di ricerca deve utilizzare tecnologie all’avanguardia e una parte significativa di creatività e immaginazione per indagare su questo processo.

Il team di Riha ha dovuto stabilire le condizioni per l’imaging dal vivo della divisione meiotica all’interno dell’antera (la parte dello stame che contiene il polline). Il team ha utilizzato la microscopia avanzata ed è diventato uno dei due laboratori al mondo in grado di osservare la meiosi delle piante dal vivo. Un’altra esperienza essenziale che il team ha acquisito è stata la padronanza della tecnologia dei protoplasti. I protoplasti sono cellule vegetali isolate che sono state private della parete cellulare circostante, il che le rende facili da manipolare geneticamente e visualizzarle al microscopio. Questa tecnologia ha consentito al team di chiarire alcuni problemi in modo più rapido ed efficiente rispetto all’utilizzo delle cellule meiotiche.

Anna Vargova ha contribuito in modo significativo alla comprensione del complesso meccanismo appena descritto. Pavlina Mikulkova ha fornito esperienza e ha prestato la sua mano magica durante l’imaging cellulare vivo della meiosi utilizzando il microscopio Lightsheet. Il team di ricerca è stato supportato dalla struttura centrale CEITEC CELLIM e dalla Plant Sciences Core Facility. La ricerca ha richiesto più di otto anni ed è stata finanziata dal progetto di sovvenzione REMAP del Ministero dell’Istruzione ceco per la gioventù e lo sport. “Sarebbe estremamente difficile sviluppare un progetto così complesso senza i finanziamenti a lungo termine di cui disponiamo. In effetti, a un certo punto, ci è sembrato che il nostro limite fosse solo la nostra immaginazione, e credo che questo sia stato cruciale per la nostra scoperta di vasta portata”, afferma Albert Cairó.

Riferimento: “uscita meiotica in Arabidopsi è guidato dall’inibizione della traduzione mediata dal corpo P” di Albert Cairo, Anna Vargova, Neha Shukla, Claudio Capitao, Pavlina Mikulkova, Sona Valuchova, Jana Pecinkova, Petra Bulankova e Karel Riha, 4 agosto 2022, Scienza.
DOI: 10.1126/science.abo0904

È interessante notare che questo progetto non ha comportato alcuna collaborazione esterna, cosa insolita per istituti di ricerca internazionali come CEITEC. In questo caso, il gruppo di ricerca stava entrando in una direzione completamente nuova e la ricerca è stata conclusa esclusivamente dai membri del gruppo di ricerca di Karel Riha.