Immagina se gli esseri umani potessero “parlare” con le piante e avvertirle dell’avvicinarsi di attacchi di parassiti o di condizioni meteorologiche estreme.
Un team di scienziati vegetali del Sainsbury Laboratory dell’Università di Cambridge (SLCU) vorrebbe trasformare questa fantascienza in realtà utilizzando messaggi basati sulla luce per “parlare” con le piante.
Primi esperimenti di laboratorio con il tabacco (Nicotiana benthamiana) hanno dimostrato di poter attivare il meccanismo di difesa naturale della pianta (risposta immunitaria) utilizzando la luce come stimolo (messaggero).
La luce funge da mezzo universale di comunicazione umana quotidiana, ad esempio la segnalazione ai semafori, agli attraversamenti pedonali o lo stato aperto-chiuso di un negozio.
Il gruppo di ricerca di Alexander Jones sta utilizzando la luce come messaggero nello sviluppo di strumenti che consentano alle piante di comunicare con gli esseri umani e agli esseri umani di comunicare con le piante.
Il team dell’Università di Cambridge aveva precedentemente progettato una serie di biosensori utilizzando la luce fluorescente per comunicare visivamente in tempo reale ciò che sta accadendo a livello cellulare nelle piante, rivelando la dinamica degli ormoni vegetali critici. Questi biosensori possono dirci come le piante reagiscono agli stress ambientali: le piante “parlano” con gli esseri umani.
La loro ultima ricerca pubblicata in Biologia PLOSdescrive un nuovo strumento chiamato Highlighter, che utilizza specifiche condizioni di luce per attivare l’espressione di un gene bersaglio nelle piante, ad esempio per attivare i loro meccanismi di difesa: gli esseri umani “parlano” con le piante.
Il concetto che gli esseri umani siano in grado di comunicare con le piante a un livello significativo ha catturato a lungo l’immaginazione delle persone. Se tale capacità fosse possibile, potrebbe rivoluzionare l’agricoltura e il nostro rapporto con le piante.
“Se potessimo avvisare le piante di un’imminente epidemia di malattia o di un attacco di parassiti, le piante potrebbero quindi attivare i loro meccanismi di difesa naturale per prevenire danni diffusi”, ha affermato il dottor Jones. “Potremmo anche informare le piante dell’avvicinarsi di eventi meteorologici estremi, come ondate di caldo o siccità, consentendo loro di adattare i loro modelli di crescita o risparmiare acqua. Ciò potrebbe portare a pratiche agricole più efficienti e sostenibili e ridurre la necessità di sostanze chimiche”.
Bo Larsen, che ha progettato Highlighter mentre eravamo alla SLCU, ci ha fatto fare un grande passo avanti verso questo obiettivo di “parlare” con le piante progettando un sistema di espressione genica controllato dalla luce (sistema optogenetico) da un sistema procariotico a un sistema eucariotico personalizzato per le piante.
L’optogenetica può portare luce sui processi biomolecolari nelle piante
Per comprendere l’attività cellulare i biologi devono essere in grado di controllare i processi biomolecolari a livello cellulare. L’optogenetica è una tecnica scientifica che utilizza uno stimolo luminoso per attivare o disattivare un processo specifico. “Gli stimoli luminosi sono economici, reversibili, non tossici e possono essere forniti ad alta risoluzione”, ha affermato il dott. Jones.
Per fare questo, gli scienziati progettano proteine sensibili alla luce (fotorecettori) per controllare un processo bersaglio e poi consegnano questi “attuatori” optogenetici alle cellule che vogliono controllare.
L’optogenetica ha rivoluzionato molti campi, inclusa la neuroscienza, dove i biologi possono isolare le funzioni dei singoli neuroni.
Tuttavia, l’optogenetica è stata difficile da applicare alle piante. Questo perché le piante contengono già molti fotorecettori e necessitano di un ampio spettro di luce per crescere. Il passaggio dal buio alla luce attiva anche i fotorecettori nativi delle piante e una miriade di sistemi cellulari.
Ad aggravare questo problema è il fatto che molti degli attuatori optogenetici più performanti utilizzano parti genetiche delle piante, il che significa che potrebbero dialogare con i fotorecettori nativi se utilizzati nelle piante.
La storia dietro la ricerca
Il dottor Jones, alla ricerca di un interruttore optogenetico dell’espressione genica che potesse essere applicato in normali condizioni di luce orticola senza impatto sulla fisiologia e lo sviluppo delle piante endogene, ha chiesto consiglio a J. Clark Lagarias, della UC Davis, che è un esperto di fitocromo e cianobatteriocromo. interruttori.
Ha suggerito di riproporre il sistema optogenetico procariotico CcaS-CcaR, originariamente ricavato da microbi fotosintetici e che utilizza il rapporto tra segnali luminosi verde (acceso) e rosso (spento). Modulando lo spettro della luce bianca di cui le piante hanno bisogno per crescere, i geni potrebbero essere attivati o disattivati utilizzando uno stimolo minimamente invasivo.
Ma durante lo sviluppo di Highlighter in un sistema optogenetico eucariotico, il dottor Larsen ha rilevato un inaspettato comportamento blu-off. La conversione potrebbe aver alterato le proprietà spettrali verde-rosso del fotorecettore CcaS?
Insieme ad Alex Jones, Ines Camacho e Richard Clarke del National Physical Laboratory (NPL), hanno scoperto che il nuovo sistema era ancora in grado di utilizzare la luce verde e rossa proprio come il sistema originale. Ma l’analisi spettroscopica presso l’NPL ha mostrato anche prove di un rilevamento indipendente della luce blu. Il coautore Roberto Hofmann ha notato che, oltre al dominio di rilevamento rosso-verde, CcaS aveva un dominio con omologia con i fotosensori a luce blu chiamati fototropine. Sembra che gli sforzi ingegneristici abbiano inavvertitamente sbloccato un comportamento latente di rilevamento del blu CcaS, fornendo un modo alternativo per controllare l’attività CcaS-CcaR.
L’evidenziatore è uno strumento optogenetico per le piante
Quando utilizzato nelle piante, Highlighter utilizza segnali luminosi minimamente invasivi per l’attivazione e l’inattivazione e non è influenzato dal ciclo luce-buio nelle camere di crescita.
L’attuale sistema Highlighter è inattivo in condizioni di luce blu e attivo al buio e in condizioni di luce bianca, verde e, misteriosamente, rossa. Sono previsti ulteriori lavori per portare avanti lo sviluppo di Highlighter, ma il team ha già dimostrato il controllo optogenetico sull’immunità delle piante, sulla produzione di pigmenti e su una proteina fluorescente gialla, quest’ultima a risoluzione cellulare.
“Highlighter rappresenta un importante passo avanti nello sviluppo di strumenti optogenetici nelle piante e il suo controllo genetico ad alta risoluzione potrebbe essere applicato per studiare un’ampia gamma di questioni fondamentali della biologia vegetale”, ha aggiunto il dott. Jones. “Uno strumento per la crescita delle piante, con diverse proprietà ottiche, apre anche interessanti opportunità per il miglioramento delle colture. Ad esempio, in futuro potremmo utilizzare una condizione di luce per innescare una risposta immunitaria, e poi una condizione di luce diversa per cronometrare con precisione un tratto particolare , come la fioritura o la maturazione.”
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
