Perché i frutti maturano e i fiori muoiono: gli scienziati del Salk scoprono come viene attivato un ormone vegetale chiave

10 Febbraio 2009

Perché i frutti maturano e i fiori muoiono: gli scienziati del Salk scoprono come viene attivato un ormone vegetale chiave

10 Febbraio 2009

La Jolla, California — Noto soprattutto per i suoi effetti sulla maturazione dei frutti e sull'appassimento dei fiori, l'ormone vegetale gassoso etilene accorcia la durata di conservazione di molti frutti e piante accelerandone la fisiologia. Negli ultimi anni, gli scienziati hanno imparato molto sui diversi componenti che trasmettono i segnali dell'etilene all'interno delle cellule. Ma un regolatore centrale delle risposte all'etilene, una proteina nota come EIN2, ha resistito a tutti i loro sforzi.

Infine, dopo più di un decennio di indagini costanti, un team di ricercatori guidato da Giuseppe Ecker, Ph.D., professore presso il laboratorio di Biologia Vegetale e direttore del Laboratorio di Analisi Genomica del Salk Institute, è riuscito a individuare l'elusiva proteina. A quanto pare, la presenza di etilene stabilizza l'altrimenti effimera EIN2, consentendole di accumulare abbastanza forza da trasmettere il messaggio dell'etilene.

I loro risultati, pubblicati nell'edizione del 15 febbraio 2009 della rivista Geni e sviluppo, rappresentano un passo importante verso la definizione del ruolo di EIN2 nella crescita e nello sviluppo e la modifica dei processi chiave per migliorare l'agricoltura, prevenendo le perdite di raccolto dovute ai processi correlati all'etilene.

"L'etilene è coinvolto in un'ampia varietà di processi e, grazie a esperimenti genetici, sapevamo che EIN2 è al centro del percorso di segnalazione dell'etilene, ma per molto tempo non siamo riusciti a capire come venga regolato", afferma Ecker. "Ora che sappiamo che EIN2 è regolato negativamente dalla degradazione proteica, possiamo iniziare a capire come innesca tutte queste diverse risposte all'etilene nelle piante".

L'etilene influenza tutti gli aspetti della vita di una pianta: induce la germinazione dei semi e la cosiddetta tripla risposta nelle piantine, che le aiuta a superare gli ostacoli. Regola la crescita dei peli radicali in generale e la nodulazione nelle leguminose azotofissatrici. Stimola la maturazione dei frutti, l'appassimento dei fiori e l'abscissione, che consente alle piante di perdere frutti, foglie e fiori. Ma protegge anche dai patogeni e dallo stress ambientale.

Sebbene il potere dell'etilene sia stato sfruttato fin da quando gli antichi Egizi scoprirono che incidere i fichi accelera il processo di maturazione, causa anche perdite significative per fioristi, mercati, fornitori e coltivatori. La produzione di etilene di una singola mela marcia accelererà il processo di maturazione delle mele vicine, causandone il deterioramento. Lo stress durante il trasporto e la movimentazione aumenta la produzione di etilene nei fiori recisi, inducendo un appassimento precoce dei fiori.

"L'etilene svolge un ruolo importante nella nostra vita quotidiana e la sua sovrapproduzione causa ogni anno enormi perdite economiche", afferma il primo autore Hong Qiao, Ph.D., borsista post-dottorato nel laboratorio di Ecker. "Una volta colmate le lacune nella nostra comprensione del percorso di segnalazione dell'etilene, potremo utilizzare queste conoscenze per migliorare la resistenza delle piante ai patogeni o alla siccità".

In assenza di etilene, una proteina chiamata CTR1 – abbreviazione di "constitutive triple response 1" – blocca la via dell'etilene attraverso la repressione di una proteina nota come ETHYLENE INSENSITIVE 2 o EIN2. Non appena l'etilene si lega ai suoi recettori, però, CTR1 perde la sua presa paralizzante su EIN2, che diventa attivo. Ma nessuno sapeva come.

Poiché l'attività del gene, isolato nel laboratorio di Ecker nel 1995, non cambia, Qiao ha esaminato più attentamente i livelli proteici. È diventato subito chiaro che EIN2 è una proteina a vita breve che viene costantemente riciclata. Tuttavia, quando ha trattato le piante con etilene, EIN2 non si è più degradata e ha iniziato ad accumularsi.

Ulteriori esperimenti hanno rivelato che due cosiddette proteine F-box, ETP1 ed ETP2 (EIN2 che ha come bersaglio le proteine 1 e 2), segnalano EIN2 per la degradazione quando non è necessaria per la trasmissione del segnale. In presenza di etilene, entrambe le proteine F-box vengono inattivate ed EIN2 non viene più inviata all'impianto di riciclo della cellula.

"La degradazione delle proteine è un tema emergente nella biologia vegetale ed è stata collegata a diverse vie di segnalazione", spiega Ecker. "Questo tipo di regolazione è come premere contemporaneamente l'acceleratore e il freno, per poi rilasciare il freno. Permette alle cellule di rispondere rapidamente alle informazioni in arrivo".

Quando Qiao ha inattivato sia ETP1 che ETP2, la via di segnalazione dell'etilene è rimasta permanentemente attiva. Quando ha aumentato i loro livelli oltre il normale, le piante non hanno risposto affatto alla presenza di etilene perché non riuscivano a liberarsi di ETP1 ed ETP2. "Questo ha davvero confermato il ruolo centrale di EIN2", afferma Qiao. "Ora possiamo seguire questa strada e colmare le lacune tra EIN2 e i componenti a valle della via".

Hanno contribuito allo studio anche la studentessa laureata Katherine N. Chang e il ricercatore post-dottorato Junshi Yazaki, Ph.D., entrambi del laboratorio di Ecker.

Il lavoro è stato finanziato dalla National Science Foundation.

 

Il Salk Institute for Biological Studies di La Jolla, in California, è un'organizzazione indipendente senza scopo di lucro dedicata alle scoperte fondamentali nelle scienze della vita, al miglioramento della salute umana e alla formazione delle future generazioni di ricercatori. Il Dott. Jonas Salk, il cui vaccino contro la poliomielite ha praticamente debellato la malattia invalidante nel 1955, ha inaugurato l'istituto nel 1965 grazie alla donazione di un terreno da parte della città di San Diego e al sostegno finanziario della March of Dimes.