Durante una soleggiata passeggiata primaverile in un parco, è facile ignorare le parti delle piante nascoste alla vista. I biologi vegetali vedono le cose in modo diverso. Guardano sotto la superficie dove le radici delle piante sono organizzate in sistemi elaborati che sono fondamentali per lo sviluppo dell’organismo. I sistemi radicali degli alberi, ad esempio, possono estendersi tanto nel sottosuolo quanto l’albero cresce in alto sopra il suolo.
Applicando una tecnologia di imaging avanzata alle radici delle piante, i ricercatori dell’Università della California di San Diego e della Stanford University hanno sviluppato una nuova comprensione delle sostanze chimiche essenziali per le radici responsabili della crescita delle piante. Usando un tipo di spettrometro di massa, uno studio condotto dal borsista postdottorato di Scienze biologiche della UC San Diego Tao Zhang e dall’assistente professore Alexandra Dickinson ha prodotto una “tabella di marcia” che descrive dove le piccole molecole chiave sono distribuite lungo le cellule staminali delle radici delle piante di mais (mais) e come il loro posizionamento influisce sulla maturazione della pianta. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Comunicazioni sulla natura.
“Questa tabella di marcia chimica fornisce una risorsa che gli scienziati possono utilizzare per trovare nuovi modi di regolare la crescita delle piante”, ha affermato Dickinson, membro della facoltà del Dipartimento di biologia cellulare e dello sviluppo. “Avere maggiori informazioni su come crescono le radici potrebbe essere utile nella conservazione poiché pensiamo a proteggere le nostre piante in ambienti naturali e renderle più sostenibili, specialmente in agricoltura”.
Mentre lavorava come scienziato in visita presso la Stanford University, Dickinson ha iniziato a collaborare con la co-autrice dello studio Sarah Noll e il professor Richard Zare, che hanno sviluppato un sistema di imaging di spettrometria di massa che aiuta i chirurghi a distinguere tra tessuto canceroso e benigno durante le operazioni di rimozione del tumore.
Dickinson, Zare e Noll hanno adattato la tecnologia – chiamata “desorbimento elettrospray ionizzazione spettrometria di massa imaging” o DESI-MSI – per sondare le radici delle piante per le sostanze chimiche coinvolte nella crescita e nella produzione di energia. Inizialmente si sono concentrati sulle piante di mais all’apice delle radici, dove le cellule staminali svolgono un ruolo attivo nello sviluppo della pianta. Il loro metodo prevedeva di tagliare il centro della radice per ottenere un’immagine chiara delle sostanze chimiche all’interno.
“Per aiutare a comprendere le radici delle piante dal punto di vista della biologia, avevamo bisogno di scoprire quali sostanze chimiche sono presenti”, ha affermato Zare. “Il nostro sistema di imaging spruzza goccioline che colpiscono diverse parti della radice e dissolvono le sostanze chimiche in quella posizione. Uno spettrometro di massa raccoglie gli schizzi delle goccioline e ci dice quali sono quelle sostanze chimiche disciolte. Scansionando sistematicamente il punto bersaglio della gocciolina creiamo una mappa spaziale di i prodotti chimici della radice.”
Le immagini risultanti, ritenute tra le prime a rivelare la transizione tra cellule staminali e tessuto radicale maturo, mostrano il ruolo fondamentale dei metaboliti, molecole coinvolte nella produzione di energia della pianta. I metaboliti del ciclo dell’acido tricarbossilico (TCA) sono diventati il fulcro della ricerca poiché si è scoperto che svolgono un ruolo chiave nel controllo dello sviluppo delle radici.
Entrando nello studio, i ricercatori si aspettavano una distribuzione relativamente uniforme delle sostanze chimiche. Invece, con la loro tabella di marcia chimica in mano, hanno scoperto che i metaboliti del TCA sono raggruppati in chiazze attraverso la radice.
“Sono rimasto sorpreso da quante sostanze chimiche sono presenti in modelli davvero distinti”, ha detto Dickinson. “Possiamo vedere che la pianta lo sta facendo apposta: ha bisogno di queste molecole in regioni specifiche per crescere correttamente”. Il laboratorio Dickinson ha dimostrato che questi metaboliti del TCA hanno effetti prevedibili sullo sviluppo, non solo nel mais, ma anche in un’altra specie di piante.Arabidopsis). Ciò è probabile perché i metaboliti del TCA sono altamente conservati: sono prodotti in tutte le piante e negli animali.
Dalle nuove immagini sono emersi anche composti chimici precedentemente non identificati. Dickinson afferma che i composti misteriosi potrebbero essere fondamentali per la crescita delle piante poiché sono anche raggruppati in schemi in posizioni specifiche, suggerendo un ruolo di primo piano nello sviluppo. Dickinson ei suoi colleghi stanno ora studiando questi composti e confrontando varietà di mais che hanno diversi livelli di resistenza allo stress per minacce avverse come condizioni climatiche avverse e siccità. Le nuove informazioni li aiuteranno a sviluppare nuove strategie chimiche e genetiche per migliorare la crescita delle piante e la resistenza allo stress.
“Stiamo esaminando diverse piante di mais resistenti alla siccità per vedere se abbiamo già trovato sostanze chimiche specifiche per quella varietà che non abbiamo visto in altre varietà”, ha affermato Dickinson. “Pensiamo che potrebbe essere un modo per trovare nuovi composti in grado di promuovere la crescita, soprattutto in condizioni difficili”.
L’elenco completo degli autori dello studio comprende: Tao Zhang, Sarah Noll, Jesus Peng, Amman Klair, Abigail Tripka, Nathan Stutzman, Casey Cheng, Richard Zare e Alexandra Dickinson.
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