Il ferro influenza l’immunità delle piante e può promuovere la resilienza contro i cambiamenti climatici

Ora, gli scienziati del Salk hanno scoperto come le piante gestiscono la carenza di ferro senza aiutare i batteri “cattivi” a prosperare, eliminando IMA1, il segnale molecolare della carenza di ferro nelle radici a rischio di attacco batterico. Inoltre, hanno scoperto che più IMA1 nelle foglie può renderle più resistenti agli attacchi batterici, suggerendo che la via di segnalazione della carenza di ferro e il sistema immunitario delle piante sono profondamente intrecciati.

I risultati sono stati pubblicati in Natura il 10 gennaio 2024.

“Esiste una relazione di lunga data tra la nutrizione del ferro nelle piante e i batteri”, afferma l’autore senior Wolfgang Busch, professore e direttore esecutivo della Harnessing Plants Initiative di Salk. “Esplorare questa relazione con più sfumature ci ha permesso di trovare un nuovo sorprendente percorso di segnalazione che le piante utilizzano per disattivare l’assorbimento del ferro come strategia di difesa contro i batteri minacciosi che alterano anche la risposta immunitaria della pianta.”

Poiché il ferro biodisponibile (ferro in uno stato utilizzabile da piante e animali) è un nutriente relativamente scarso, la carenza di ferro – e la conseguente crescita stentata delle piante – non è rara. Poiché fermare la crescita non è l’ideale, le piante hanno sviluppato tecniche per incoraggiare l’assorbimento del ferro in ambienti a basso contenuto di ferro. Sfortunatamente, queste tecniche possono alterare l’intero microbioma attorno alle radici e aumentare la disponibilità di ferro non solo per la pianta, ma anche per i batteri nocivi che vivono nelle vicinanze.

Per svelare la complessa relazione tra salute delle piante, livelli di ferro e minaccia batterica, i ricercatori si sono rivolti a una piccola pianta modello chiamata Arabidopsis thaliana. Hanno coltivato la pianta in un substrato di crescita a basso e alto contenuto di ferro (terreno), quindi hanno aggiunto frammenti di flagelli (piccole code che i batteri usano per muoversi) per imitare la presenza di batteri.

“Abbiamo ipotizzato che ci sarebbe stata una sorta di competizione tra la pianta e i batteri per il ferro”, afferma il primo autore Min Cao, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Busch. “Ma abbiamo scoperto che quando le piante si sentono minacciate da batteri nocivi, sono disposte a smettere di acquisire ferro e a smettere di crescere: si privano per privare il nemico.”

Quando le radici sono state esposte ai flagelli in ambienti a basso contenuto di ferro, le piante hanno dato una risposta inaspettata: invece della prevista battaglia per il ferro tra pianta e batteri, la pianta ha immediatamente rinunciato eliminando il segnale di carenza di ferro IMA1. Quando le radici venivano esposte ai flagelli in ambienti ricchi di ferro, IMA1 non veniva eliminato, ma non era necessario esprimerlo poiché i livelli di ferro erano sufficienti.

Nelle piante che eliminavano IMA1 in risposta a bassi livelli di ferro e flagelli, i ricercatori hanno riscontrato un’altra sorpresa: maggiore era l’IMA1, più le foglie delle piante erano resistenti all’attacco batterico. Questa osservazione ha portato alla conclusione che la disponibilità di ferro e la segnalazione della carenza di ferro aiutano a orchestrare la risposta immunitaria delle piante.

Busch ritiene che IMA1 possa essere un obiettivo utile per ottimizzare l’immunità delle piante, che diventerà sempre più importante man mano che il clima del pianeta continua a cambiare e le malattie iniziano a evolversi più rapidamente. Scoprire che le piante fermeranno l’assorbimento del ferro e arresteranno la loro crescita potenzialmente batteri nocivi è l’inizio di una storia molto più lunga sulla resilienza delle piante, sui microbiomi vegetali e animali e sul cambiamento climatico.

“I microbi determinano il destino del carbonio nel suolo, quindi scoprire come le piante reagiscono e influiscono sul microambiente del suolo può insegnarci molto sull’ottimizzazione dello stoccaggio del carbonio nelle piante”, afferma Busch, che è anche titolare della cattedra Hess in Plant Science a Salk. “Relativamente, capire come le piante regolano la segnalazione e le risposte immunitarie di fronte alle scarsità ambientali, come le carenze di ferro, sarà cruciale poiché gli scienziati ottimizzano la salute delle piante nel nostro clima in continua evoluzione”.

In futuro, i ricercatori esploreranno se prendere di mira l’IMA1 può modificare la resistenza delle piante alle malattie e in che modo esattamente le singole cellule nelle radici delle piante interrompono la via di segnalazione dell’IMA1. Imparare a conoscere le radici delle piante può insegnare agli scienziati altri tessuti assorbenti, come l’intestino umano, in modo che possano comprendere meglio l’intersezione tra microbiomi dei mammiferi, sistema immunitario e ferro per ottimizzare la salute.

Altri autori includono Matthieu Pierre Platre, Ling Zhang, Tatsuya Nobori, Yingtong Chen, Wenrong He, Lukas Brent e Joseph Ecker di Salk; Huei-Hsuan Tsai e Niko Gelder dell’Università di Losanna; e Laia Armengot e Nuria Coll del Centro di ricerca sulla genomica agricola di Bellaterra, Spagna.

Il lavoro è stato sostenuto dal National Institutes of Health (R01GM127759, NCI CCSG: P30 014195), dallo Human Frontier Science Program (LT000661/2020-L), dalla Chapman Foundation, dall’Helmsley Charitable Trust, dal Ministerio de Universidades, dall’Unione Europea , il Ministerio de Ciencia e Innovación e Agencia Estatal de Investigació (PID2019-108595RB-I00, 10.13039/501100011033, TED2021-1311457B-I00), il Ministero della scienza e della tecnologia di Taiwan (111-2917-I-564-021) e il Centri di ricerca della Catalogna.