Secondo le Nazioni Unite, la salinizzazione del suolo colpisce tra il 20% e il 40% delle terre coltivabili a livello globale, con l’attività umana e il cambiamento climatico – in particolare l’innalzamento del livello del mare – in gran parte responsabili di questo processo. Sebbene il corpo umano abbia bisogno di sodio per funzionare, questo non è il caso della maggior parte delle piante. Infatti, il sale in eccesso attorno alle radici delle piante blocca gradualmente il loro accesso all’acqua, arrestandone la crescita, avvelenandole e accelerandone la morte. Ogni anno dieci milioni di ettari di terreni agricoli vengono distrutti dalla salinizzazione del suolo, mettendo a rischio la sicurezza alimentare globale.
Gli scienziati dell’EPFL, dell’Università di Losanna (UNIL) e i loro partner spagnoli hanno osservato come il gene “Salt Overly Sensitive 1” (SOS1), identificato nel 2000, protegga le cellule vegetali dal sale. Il team di biologi e ingegneri ha prodotto immagini senza precedenti utilizzando la microsonda ionica CryoNanoSIMS (Cryo Nanoscale Secondary Ion Mass Spectrometry). Con questo strumento di microscopia criogenica, l’unico del suo genere al mondo, sono stati in grado di ottenere immagini precise della posizione in cui una sostanza nutritiva specifica viene immagazzinata o utilizzata all’interno di un campione di cellule o tessuti. Le loro osservazioni mostrano che, in condizioni elevate di stress salino, il trasportatore di ioni SOS1 non rimuove più il sodio ma aiuta piuttosto a caricarlo in strutture chiamate vacuoli all’interno delle cellule. Una migliore comprensione di questo meccanismo e la comprensione del motivo per cui alcune specie sono più tolleranti al sodio di altre potrebbero, secondo gli scienziati, permetterci di sviluppare nuove strategie per rafforzare la sicurezza alimentare. I loro risultati sono appena stati pubblicati in Natura.
Prima prova visiva
“La nostra ricerca fornisce la prima prova visiva, su scala cellulare, di come le piante si proteggono dall’eccesso di sodio”, afferma Priya Ramakrishna, ricercatrice post-dottorato presso il Laboratorio di geochimica biologica (LGB) dell’EPFL e autrice principale dell’articolo. “Le ipotesi precedenti di questo meccanismo erano basate su prove indirette. Ora possiamo vedere dove viene trasportato il sodio a diversi livelli di stress salino, cosa che prima non eravamo in grado di fare con questa risoluzione.” Il team congiunto EPFL e UNIL ha effettuato osservazioni con un dettaglio senza precedenti con lo strumento CryoNanoSIMS recentemente sviluppato, che consente di ottenere immagini chimiche di tessuti biologici con una risoluzione di 100 nanometri, in questo caso su campioni di radici di piante che erano state congelate in un contenitore bagno di azoto liquido e mantenuto a bassissima temperatura sotto vuoto, per preservare tutti gli elementi in posizione nel tessuto.
Questo approccio ha permesso loro di mappare le singole cellule vegetali e vedere dove gli elementi chiave, come potassio, magnesio, calcio e sodio erano immagazzinati nelle punte delle radici delle piante – la parte della pianta conosciuta come “meristema apicale della radice” – che contiene il cellule staminali responsabili dello sviluppo del sistema radicale delle piante. L’imaging CryoNanoSIMS ha mostrato la condizione della radice in due diverse condizioni di stress salino.
Un cambio di strategia
Sotto un lieve stress salino, le cellule riescono a impedire l’ingresso del sodio. Ma il team ha osservato un cambio di strategia in condizioni di elevato stress salino: invece di evacuare il sodio, come si pensava in precedenza, il trasportatore SOS1 aiuta a sequestrarlo in vacuoli che servono a immagazzinare i prodotti indesiderati. “Ma questo meccanismo di difesa è ad alta intensità energetica, rallentando la crescita della pianta, inibendone le prestazioni e, infine, portandola alla morte se lo stress salino persiste”, spiega Ramakrishna. I ricercatori hanno convalidato le loro osservazioni eseguendo gli stessi esperimenti su campioni mutanti privi del gene trasportatore SOS1, rivelando la sua incapacità di trasportare sodio nei vacuoli, il che spiega la sua sensibilità fortemente aumentata al sale. Hanno anche eseguito i test utilizzando campioni di radici prelevati dal riso – la coltura più comune al mondo – e hanno scoperto che, anche in questo caso, il sodio veniva trasportato al vacuolo in condizioni di elevato stress salino.
Posizione corrispondente alla funzione
Per Ramakrishna, un biologo vegetale di formazione, l’imaging chimico reso possibile dallo strumento CryoNanoSIMS è un punto di svolta completo. E lo strumento potrebbe anche essere utilizzato per studiare come le piante si proteggono da altre minacce, come l’inquinamento da metalli pesanti e i microbi. “Con questo tipo di collaborazione veramente interdisciplinare, ovvero fondendo biologia e ingegneria, possiamo abbinare la posizione alla funzione e comprendere meccanismi e processi che non sono mai stati osservati prima”, afferma l’autore corrispondente Anders Meibom, professore alla Scuola di Architettura, Civile dell’EPFL. e Ingegneria Ambientale (ENAC) e della Facoltà di Geoscienze e Ambiente dell’UNIL, nel cui laboratorio è stato sviluppato lo strumento CryoNanoSIMS.
Niko Geldner, co-autore dell’articolo, capo del gruppo di ricerca presso la Facoltà di Biologia e Medicina dell’UNIL e leader del gruppo UNIL, è altrettanto entusiasta di questa collaborazione: “Le piante dipendono fondamentalmente dall’estrazione di nutrienti minerali dal suolo, ma non siamo mai stati in grado di osservare il loro trasporto e accumulo con una risoluzione sufficiente. La tecnologia CryoNanoSIMS finalmente raggiunge questo obiettivo e promette di trasformare la nostra comprensione della nutrizione delle piante, oltre il problema del sale.” La professoressa Christel Genoud, coautrice dell’articolo e direttrice del Dubochet Center for Imaging, aggiunge: “Questa tecnica sta aprendo un orizzonte completamente nuovo nell’imaging dei tessuti biologici e pone le nostre istituzioni come leader su questa frontiera”.
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