Quando le piante vengono infettate da agenti patogeni, soffrono per la mancanza d’acqua o devono reagire ad altri stimoli esterni, la prima cosa che fanno è aumentare la concentrazione di protoni e calcio nelle cellule colpite. I protoni e gli ioni calcio agiscono quindi come sostanze messaggere che innescano ulteriori reazioni nella cellula.
Le interazioni tra protoni e ioni calcio in questo processo erano precedentemente in gran parte sconosciute. Un articolo sulla rivista Scienza da un team guidato dal biofisico Professor Rainer Hedrich della Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg in Baviera, Germania, ha ora gettato nuova luce su questo argomento.
Utilizzando un sofisticato approccio optogenetico, i ricercatori hanno scoperto un sensore di acido endogeno precedentemente sconosciuto nelle cellule vegetali. E hanno scoperto che nelle cellule di guardia delle foglie c’è una riserva di calcio che svolge un ruolo importante nell’elaborazione dei segnali protonici nelle risposte cellulari.
Perché elementi semplici come i protoni e gli ioni di calcio agiscono come segnali
Nel corso dell’evoluzione, le cellule hanno progettato il loro metabolismo per utilizzare fosfati ricchi di energia. Ciò comporta un problema: con un valore di pH cellulare prevalentemente neutro, i preziosi fosfati possono essere legati dagli ioni calcio (Ca2+) e convertito in una forma insolubile e quindi non più utilizzabile (calcio fosfato monobasico).
Per evitare ciò, le cellule mantengono molto basso il loro livello interno di calcio; nel loro ambiente, invece, è 10.000 volte superiore. All’esterno delle cellule, la concentrazione di protoni (H+) e quindi anche l’acidità è molto più alta. A causa di questo gradiente di concentrazione, entrambi i tipi di ioni hanno un forte bisogno di fluire nelle cellule, rendendoli ideali per l’uso come sostanze messaggere.
“L’apertura dipendente dallo stimolo dei canali del calcio e dei protoni nella membrana cellulare provoca un temporaneo aumento intracellulare di entrambi gli ioni messaggeri”, spiega Rainer Hedrich. “Le cellule lo interpretano come un segnale, che traducono in una reazione biologica utilizzando enzimi che legano calcio e protoni.”
L’interruttore della luce controlla il flusso di protoni nella cellula
Come reagiscono le cellule vegetali all’afflusso di protoni e alla conseguente acidificazione del plasma cellulare? Finora questo poteva essere studiato solo con grandi sforzi sperimentali e anche allora solo indirettamente.
Ora tutto questo è molto più semplice grazie ad un crescione di thale opportunamente equipaggiato (Arabidopsis thaliana), che il team di Hedrich ha sviluppato utilizzando metodi optogenetici: un canale protonico sensibile alla luce di un fungo, la channelrodopsina KCR2, è stato ottimizzato per l’uso nelle cellule vegetali. Ciò significa che ora i protoni possono essere inviati specificamente nelle cellule in risposta a un impulso luminoso.
Inoltre, hanno espresso KCR2 insieme al reporter del pH geneticamente codificato pHuji. Ciò rende molto semplice misurare il valore del pH attuale nella cellula dopo l’attivazione di KCR2.
Shouguang Huang, il primo autore del Scienza pubblicazione, hanno poi esaminato attentamente le cellule di guardia del nuovo mutante Arabidopsis. “Quando li ho stimolati per un secondo con la luce blu, si sono depolarizzati, proprio come mi aspettavo da un canale protonico attivato dalla luce”, dice il ricercatore. Negli esperimenti successivi gli specialisti dei canali ionici di Würzburg fecero una scoperta di vasta portata.
L’attivazione di KCR2 acidifica la cellula e provoca l’aumento del calcio
I loro studi elettrofisiologici sulle cellule di guardia hanno dimostrato che quando iniziava la stimolazione luminosa, il potenziale di membrana si depolarizzava immediatamente e il reporter del pH pHuji segnalava un’acidificazione dell’interno della cellula.
“Tuttavia siamo rimasti stupiti quando la depolarizzazione e l’acidificazione sono continuate per un buon minuto dopo la fine dell’impulso luminoso”, dice Hedrich. “Ciò potrebbe solo significare che l’attivazione della luce di KCR2 e l’acidificazione hanno attivato i canali ionici delle cellule dello sfintere.” Si tratta dei canali anionici delle cellule di guardia SLAC1 e SLAH3, noti da tempo, la cui attivazione richiede però anche la presenza di calcio.
Reticolo endoplasmatico come deposito di calcio
“Tutto sommato si potrebbe supporre che le correnti protoniche trasportate da KCR2 e la conseguente acidificazione dell’interno della cellula abbiano generato anche un segnale di calcio”, riassume il professore della JMU.
Il suo team è riuscito a dimostrare che la rapida acidificazione delle cellule di guardia è seguita da un segnale di calcio che dura dai 150 ai 200 secondi. E hanno scoperto che questo calcio non proviene dall’esterno della cellula, ma viene rilasciato da una riserva endogena, il reticolo endoplasmatico. Questa è una rete di tubi e cisterne di membrana che attraversano il citoplasma.
Gli studi futuri si concentreranno ora sull’analisi della natura molecolare del canale del calcio sensibile agli H+ del reticolo endoplasmatico e sullo studio del suo interruttore di accensione/spegnimento attivato dal protone. Nel complesso, questi studi sono importanti per comprendere meglio come le cellule vegetali reagiscono agli stimoli esterni come infezioni o siccità.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
