A volte il semplice utilizzo di uno strumento diverso rende il lavoro molto più semplice. Un team di ricercatori co-guidati dall’Università della California a San Diego ha sviluppato un metodo per produrre una classe speciale di ormoni vegetali, noti come strigolattoni, a livelli senza precedenti utilizzando fabbriche di cellule microbiche. Amplificando la produzione di strigolattoni, i ricercatori hanno ora la possibilità di studiare queste molecole vegetali rare e misteriose in modo molto più approfondito rispetto a prima.
Il nuovo studio, pubblicato nel numero del 17 gennaio di Scienzapotrebbe contribuire a migliorare le pratiche agricole sostenibili offrendo informazioni più approfondite su come le piante producono e utilizzano i loro ormoni naturali per adattarsi e sopravvivere.
Gli scienziati di tutto il mondo si sono interessati agli strigolattoni per il loro ruolo nel controllo dello sviluppo delle piante, nella regolazione della relazione simbiotica della pianta con i microbi del suolo vicini e nell’innesco della germinazione delle piante parassite.
Ma i progressi nella comprensione di questi strigolattoni sono diventati un po’ stagnanti, in parte perché queste molecole sono presenti in quantità così basse nelle piante. Di conseguenza, gli scienziati hanno dovuto utilizzare metodi laboriosi, spesso utilizzando grandi quantità di materiale vegetale, solo per ottenere materiale sufficiente per identificarli.
Ora, i ricercatori della Jacobs School of Engineering dell’UC San Diego, in collaborazione con l’UC Riverside e l’Università di Utsunomiya in Giappone, hanno introdotto nell’indagine una tattica guidata dalla genomica, utilizzando una fabbrica di cellule microbiche, per superare il problema dell’abbondanza.
“Abbiamo questo approccio ingegneristico che rende tutto molto più semplice e le cose prima impossibili ora sono possibili”, ha detto l’autore e co-corrispondente dello studio Yanran Li, professore presso il Dipartimento di chimica e nanoingegneria della famiglia Aiiso Yufeng Li presso la UC San Diego Jacobs School of Ingegneria specializzato in biologia sintetica e ingegneria metabolica.
L’approccio del team ha sfruttato le capacità di Escherichia coli e lievito di birra per produrre strigolattoni. Co-coltivando questi due ospiti, i ricercatori hanno creato una fabbrica di cellule microbiche che produce rese di strigolattoni oltre 125 volte superiori rispetto ai precedenti consorzi microbici. I metodi tradizionali per studiare lo strigolattone, al contrario, possono richiedere l’estrazione di almeno 340 litri di linfa xilematica, l’equivalente di 7 o 8 pioppi. Realisticamente, tale quantità deve essere più vicina a 1000 litri, ha spiegato Li, per tenere conto delle perdite derivanti dall’isolamento e dalla purificazione del composto.
“Utilizzando questa fabbrica di cellule microbiche, è possibile evitare l’estrazione di tonnellate di linfa xilematica e quindi distruggere dozzine di alberi per scoprire le molecole importanti per la fisiologia delle piante”, ha affermato Li.
Approccio ingegneristico
Il primo strigolattone fu scoperto negli anni ’60, ma solo nel 2008 fu riconosciuto il ruolo ormonale di questa classe di composti. Come ormoni, gli strigolattoni controllano lo sviluppo della pianta e le sue risposte allo stress, come situazioni di scarsità d’acqua o di nutrienti. Dalla realizzazione del 2008, i biologi vegetali hanno spinto per capire la chimica e gli scopi degli strigolattoni e dei loro composti correlati. Finora i risultati sono stati più speculativi che conclusivi, in parte a causa della quantità molto bassa di composti ormonali nelle piante.
Finora sono stati scoperti circa 30 strigolattoni e tutti hanno un antenato comune. Ciò che guida la conversione di quel precursore in molti di quegli strigolattoni è uno specifico gene che codifica una proteina (CPY722C) nella maggior parte delle piante da fiore. Poiché i geni fratelli di quel gene sono ampiamente presenti tra le piante da seme, Li e il suo team hanno ipotizzato che questi geni fratelli, etichettati come CYP722A e CYP722B, potrebbero anche creare strigolattoni con ruoli biologici essenziali.
Per indagare, i ricercatori hanno testato cosa succede con i geni fratelli in una fabbrica di cellule microbiche, realizzata mediante co-coltura Escherichia coli e il lievito di Baker, che avevano sviluppato in precedenza. Con questa piattaforma, hanno espresso i geni CYP722A e CYP722B di 16 diverse specie di piante, tra cui pioppo, peperone, pisello e pesco. Attraverso un’ulteriore ingegneria metabolica, il primo autore Anqi Zhou, un dottorato di ricerca in ingegneria chimica. Uno studente del laboratorio di Li, ha trovato modi efficaci per ottimizzare le concentrazioni di uscita degli strigolattoni, più di 125 volte rispetto a prima.
Questa maggiore concentrazione fornisce ai ricercatori materiale sufficiente per capire la struttura di eventuali composti risultanti, che potrebbero potenzialmente svolgere un ruolo importante nella fisiologia delle piante.
E una molecola così importante potrebbe essere il nuovo composto prodotto dal CYP722A o CYP722B: uno strigolattone chiamato acido 16-idrossi-carlattonico (16-OH-CLA).
Spara, non radici
Anche se il 16-OH-CLA è stato segnalato in precedenza, la sua struttura esatta e il motivo per cui potrebbe essere importante non erano del tutto noti. La capacità di produrre quantità sufficienti di 16-OH-CLA – grazie alla fabbrica di cellule microbiche – ha permesso al team di scoprire per la prima volta la sua struttura precisa.
È interessante notare che, quando i ricercatori hanno cercato il 16-OH-CLA nelle piante, lo hanno rilevato solo nei germogli e non nelle radici, a differenza di tutti gli altri strigolattoni conosciuti. Inoltre, il composto non è sempre presente. Per le piante annuali come il peperone o il pisello comune, il composto scompare una volta che la pianta è matura e sviluppata. Per alberi come il pioppo, è stagionale.
Sebbene la funzione specifica del 16-OH-CLA rimanga sfuggente, la sua presenza comune all’interno delle piante da seme e in una regione vegetale insolita suggerisce che potrebbe svolgere un ruolo critico, ma sottovalutato, nella segnalazione delle piante o nell’adattamento alle sfide ambientali. Grazie al nuovo approccio ingegneristico, i ricercatori avranno facilmente le quantità di cui hanno bisogno per scavare più a fondo, che è esattamente ciò su cui Li e il team stanno lavorando ora.
*Questi autori hanno contribuito in egual misura a questo lavoro.
Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Science Foundation (CAREER Award CBET-2144626, IOS-1856741 e IOS-2329271, CAREER Award 2047396, Research Traineeship Program Grant DGE-1922642 “Plants3D”), USDA-NIFA (AFRI Predoctoral Fellowship 2023-67011 -40396), Agenzia giapponese per la scienza e la tecnologia (FOREST, JPMJFR220F) e JSPS (KAKENHI, 21H02125).
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