Per alcune piante carnivore, la migliore offesa è una grande difesa

Per alcune piante carnivore, la migliore offesa è una grande difesa

Gli scienziati del Salk aiutano a spiegare come la carnivorità delle piante si è evoluta dai meccanismi difensivi

LA JOLLA – Le piante che si nutrono di insetti affascinano i biologi da oltre un secolo, ma il modo in cui le piante hanno sviluppato la capacità di catturare e consumare prede vive è rimasto in gran parte un mistero. Ora, gli scienziati del Salk Institute, insieme ai collaboratori della Washington University di St. Louis, hanno studiato le basi molecolari della carnivoria delle piante e hanno trovato prove che si è evoluta a partire dai meccanismi che le piante utilizzano per difendersi.

La ricerca, pubblicata l'11 luglio 2022, in Atti della National Academy of Sciences (PNAS), descrive in dettaglio come le molecole di calcio si muovono dinamicamente all'interno delle cellule fogliari delle piante carnivore in risposta al contatto con prede vive. La fluttuazione del calcio determina movimenti delle foglie per la cattura delle prede, probabilmente attraverso un aumento della produzione di ormoni difensivi. I risultati ampliano la comprensione da parte degli scienziati di come le piante interagiscono con il loro ambiente.

"Se riusciamo a scoprire di più su come piante come queste e altre si sono adattate per rispondere ai loro ambienti unici, allora forse potremo alterare questi percorsi molecolari in futuro per sviluppare piante in grado di sopravvivere in condizioni più difficili", afferma il co-autore senior, il professor Joanne chory, direttore del Plant Molecular and Cellular Biology Laboratory del Salk e ricercatore presso l'Howard Hughes Medical Institute.

I biologi hanno scoperto che piante come la drosera a foglie di cucchiaio (Sundew spatulata) probabilmente ha adattato la carnivoria per sopravvivere in condizioni di scarsa nutrizione. Tuttavia, le drosere sono difficili da coltivare e il loro DNA non è stato sequenziato fino a poco tempo fa, quindi gli scienziati hanno avuto difficoltà a esaminare il funzionamento della carnivoria a livello cellulare. Non erano inoltre certi di come le piante carnivore sviluppassero comportamenti associati alla cattura delle prede, come il movimento delle foglie e la secrezione di enzimi digestivi.

"Le piante carnivore di drosera non sono organismi modello", afferma Carl Procko, co-autore principale dell'articolo e ricercatore presso il Plant Molecular and Cellular Biology Laboratory del Salk. "Meno di una manciata di laboratori al mondo sono stati in grado di modificarle geneticamente, quindi abbiamo dovuto apprendere nuove tecniche per esaminarle da vicino".

Per questo studio, gli scienziati hanno applicato strumenti genetici per visualizzare i cambiamenti dinamici delle molecole di calcio nelle foglie quando le prede degli insetti atterravano sulla foglia e venivano catturate da secrezioni appiccicose. Nelle piante non carnivore, la segnalazione del calcio svolge molti ruoli vitali per il supporto della vita, come l'attivazione del percorso di difesa dell'acido jasmonico per respingere gli insetti indesiderati. L'acido jasmonico risponde anche all'attività elettrica, che è un elemento critico per la cattura delle prede in alcune piante carnivore, tra cui la drosera. Gli scienziati volevano scoprire se questo stesso percorso di difesa delle piante non carnivore potesse essere necessario anche per il comportamento carnivoro della drosera.

Il team ha scoperto che i cambiamenti nel livello di calcio all'interno della cellula vegetale erano necessari per l'attivazione dei geni tipicamente presi di mira dall'acido jasmonico quando la foglia si piegava verso l'interno, intrappolando l'insetto nei succhi digestivi. I ricercatori hanno inoltre osservato che le foglie di drosera si piegavano meno quando ricevevano prede non viventi e quando i loro canali del calcio erano bloccati. Questi risultati dimostrano che il calcio contribuisce alle risposte di cattura delle prede degli insetti e, insieme al lavoro di altri, supportano l'idea che l'acido jasmonico sia coinvolto nella digestione degli insetti.

"È stato affascinante osservare come queste piante rispondono agli stimoli meccanici associati alle prede, come il tatto", afferma Ivan Radin, coautore e ricercatore presso la Washington University di St. Louis. "La capacità di percepire e rispondere alle forze meccaniche è qualcosa che la maggior parte delle persone non associa alle piante, soprattutto in tempi così rapidi. Il nostro lavoro fornisce una splendida rappresentazione di questo fatto".

"I risultati mostrano che anche il calcio è coinvolto e probabilmente intensifica le risposte dell'acido jasmonico, in modo simile a come le piante non carnivore rispondono in modo difensivo alla stimolazione meccanica dei parassiti", afferma Chory, titolare della cattedra Howard H. e Maryam R. Newman in Biologia Vegetale. "Questo fornisce ulteriore credito all'idea che la carnivoria delle drosere possa essere un percorso di difesa evoluto".

Successivamente, i ricercatori applicheranno tecniche genetiche simili per studiare altre piante carnivore, in precedenza troppo difficili da esaminare. Sperano di approfondire le basi molecolari dei meccanismi di cattura delle prede per comprendere meglio come la carnivoria si sia evoluta in specie lontanamente imparentate e per verificare se le colture potrebbero trarre beneficio dall'adattamento dei loro attuali percorsi di risposta ambientale e agli insetti per sopravvivere in ambienti difficili.

Tra gli altri autori figurano Charlotte Hou di Salk, nonché Ryan Richardson ed Elizabeth Haswell della Washington University di St. Louis.

Questo lavoro è stato sostenuto dal National Institutes of Health (5R35GM122604) e da una borsa di studio Howards Hughes Medical Institute-Simons Foundation Faculty Scholars Grant (55108530).

DOI: 10.1073/pnas