Gli scienziati di Cambridge hanno identificato due fattori genetici cruciali necessari per produrre organi radicali specializzati in grado di ospitare batteri che fissano l’azoto in legumi come piselli e fagioli.
In una svolta sorprendente, i regolatori dello sviluppo che conferiscono l’identità di questi organi – noti come noduli – appartengono a una famiglia di fattori di trascrizione più comunemente associata alla definizione delle forme di steli, fiori e foglie. Questi fattori sono ampiamente conservati nelle piante, indicando che la loro funzione di specificazione dei noduli nei legumi è un’innovazione più recente.
Questa significativa scoperta ci porta un passo avanti verso la potenziale ingegneria di colture di cereali non leguminose come grano, riso e mais per sviluppare organi noduli radicali per ospitare batteri che fissano l’azoto e ridurre la nostra dipendenza dai fertilizzanti azotati industriali prodotti tramite il processo Haber Bosch che consuma energia.
Quest’ultima ricerca, guidata dalla dott.ssa Katharina Schiessl, Career Development Fellow presso il Sainsbury Laboratory dell’Università di Cambridge (SLCU), si basa sulle sue precedenti scoperte secondo cui lo stesso programma genetico alla base dello sviluppo delle radici laterali è alla base anche dell’iniziazione dei noduli radicali.
La scoperta del dottor Schiessl ci porta un ulteriore passo avanti nel percorso di comprensione di come si stabilisce questa relazione simbiotica tra batteri benefici del suolo e legumi e come viene mantenuta per supportare la fissazione biologica dell’azoto. E con la scoperta che i legumi riciclano programmi genetici utilizzati da molte specie di piante, compresi i cereali, il compito ingegneristico potrebbe essere molto meno complicato.
Pubblicato in Biologia attuale“I geni ipocotilici corti sensibili alla luce conferiscono l’identità del nodulo simbiotico nel legume Medicago truncatula,” è stata una collaborazione tra scienziati che lavorano presso SLCU, Crop Science Center, John Innes Centre, Università di Friburgo, Oklahoma State University e Royal Botanic Gardens, Kew.
La loro ricerca ha identificato due fattori genetici, denominati IPOCOTYL CORTO SENSIBILE ALLA LUCE (LSH1/LSH2), che promuovono la produzione di cellule radicali specializzate necessarie per rendere la struttura del nodulo in via di sviluppo una casa adatta per i batteri che fissano l’azoto, conferendo l’identità dell’organo del nodulo.
“Abbiamo dimostrato che due membri della famiglia dei fattori di trascrizione LIGHT SENSITIVE SHORT HYPOCOTYL (LSH) funzionano come regolatori dell’identità dell’organo nodulare”, ha affermato il dott. Schiessl. “LSH1/LSH2 inseriscono un programma in un tessuto radicale chiamato corteccia che facilita la formazione di un gruppo di cellule infettabili e abitabili dai batteri nelle prime fasi dello sviluppo del nodulo. A livello molecolare, ciò comporta l’inibizione del programma radicale laterale predefinito, controllando la dinamica degli ormoni vegetali auxina e citochinina e promuovendo l’espressione dei regolatori chiave dell’identità dell’organo nodulare precedentemente identificati NODULE ROOT1/2 e Nuclear Factor Y-A1.”
In sintesi, la ricerca mostra che i tessuti radicali possono essere riprogrammati da programmi di germogli preesistenti e include un modello proposto per la specificazione dello sviluppo del nodulo: l’attivazione della citochinina dell’espressione NIN avvia il primordio del nodulo attraverso l’induzione di LBD16, che attiva la biosintesi locale dell’auxina per guidare divisioni cellulari in un modo paragonabile all’inizio della radice laterale. L’attivazione dei geni LSH conferisce quindi l’identità dell’organo nodulo.
“La scoperta che i legumi sfruttano i regolatori dello sviluppo preesistenti e le loro reti a valle associate per generare organi appositamente costruiti con nuove forme e funzioni è essenziale per la futura ingegneria della fissazione biologica dell’azoto, ha affermato il dottor Schiessl.”
Il nuovo gruppo di ricerca del dottor Schiessl presso la SLCU continua a esplorare i percorsi regolatori e i processi cellulari dello sviluppo degli organi indotto dai colonizzatori, studiando i noduli radicali simbiotici e le galle parassite.
Conferisce l’identità dell’organo del nodulo radicale simbiotico
L’alloggio dei batteri che fissano l’azoto è endosimbiotico, all’interno di cellule specializzate nel nodulo radicale e richiede tre processi chiave: 1) il riconoscimento dei batteri come amici, 2) la loro invasione amica attraverso un filo infetto che si estende dai peli della radice al tessuto interno strati della radice e 3) l’alloggio dei batteri che fissano l’azoto all’interno di vescicole di cellule specializzate nel nodulo.
L’interazione simbiotica inizia con uno scambio di segnali molto sofisticati che consentono l’invasione amichevole dei batteri attraverso i peli della radice e negli strati interni dei tessuti dove i batteri incontrano il gruppo di cellule appena divise che si sono specializzate per assorbire i batteri all’interno delle vescicole. con condizioni adeguate per la fissazione biologica dell’azoto: la conversione dell’azoto presente nell’aria in ammoniaca, una forma di azoto disponibile nelle piante.
Mentre i noduli radicali simbiotici sono strutture specializzate che vengono indotte in risposta ai batteri del suolo che fissano l’azoto nelle radici delle leguminose, i ricercatori hanno scoperto una riconnessione di percorsi di sviluppo preesistenti con funzioni conservate osservate negli organi dei germogli fuori terra sia delle leguminose che delle leguminose. le piante non leguminose erano coinvolte nel conferimento dell’identità del nodulo radicale.
Ciò è simile alla ricerca precedente del dottor Schiessl che aveva scoperto che le piante riciclano un programma genetico utilizzato per avviare le radici laterali per avviare anche i noduli radicali. Questa nuova ricerca ha identificato il programma genetico LSH1/LSH2, riconosciuto coinvolto nei meristemi dei germogli e nei confini degli organi nelle foglie e nei fiori, che veniva reclutato nelle radici per conferire l’identità del nodulo.
I ricercatori hanno confermato che i geni LSH funzionano come regolatori e integratori chiave dell’identità dell’organo nodulo e differenziano i noduli dalle radici laterali oltre al programma di iniziazione condiviso simile alla radice laterale.
“Abbiamo dimostrato che gli LSH promuovono direttamente le divisioni cellulari nella corteccia radicale che supportano la colonizzazione batterica e promuovono l’espressione dei geni identificativi dell’organo nodulo precedentemente identificati e ben noti NOOT1/NOOT2 e NF-YA1”, ha affermato il dottor Schiessl.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
