Autodifesa per le piante

Autodifesa per le piante

Gli scienziati del Salk caratterizzano la risposta immunitaria insolita delle piante alle infezioni batteriche

LA JOLLA—Quando si notano macchie marroni su foglie verdi altrimenti sane, si potrebbe essere testimoni della risposta immunitaria di una pianta che cerca di impedire la diffusione di un'infezione batterica. Alcune piante sono più resistenti di altre a tali infezioni e i biologi vegetali vogliono capirne il motivo. Gli scienziati del Salk Institute che studiano una proteina vegetale chiamata SOBER1 hanno recentemente scoperto un meccanismo attraverso il quale, controintuitivamente, le piante sembrano rendersi meno resistenti alle infezioni.

L'opera, apparsa in Nature Communications il 19 dicembre 2017, fa luce sulla resistenza delle piante in generale e potrebbe portare a strategie per rafforzare l'immunità naturale delle piante o per contenere meglio le infezioni che minacciano di distruggere un'intera coltura agricola.

"Ci sono molte perdite nei raccolti a causa dei batteri che uccidono le piante", afferma l'autore principale dello studio. Joanne chory, ricercatore presso l'Howard Hughes Medical Institute, direttore del Plant Molecular and Cellular Biology Laboratory del Salk's e vincitore del Breakthrough Prize in Life Sciences nel 2018. "Con questo lavoro, ci siamo prefissati di comprendere il meccanismo alla base del funzionamento della resistenza e di verificarne la generalità".

Uno dei modi in cui le piante combattono le infezioni batteriche è uccidere le proprie cellule in cui vengono rilevate proteine batteriche. Ma alcuni batteri hanno sviluppato una strategia di contrasto: iniettare proteine speciali che sopprimono la risposta immunitaria della pianta aggiungendo piccole molecole chimiche debilitanti chiamate gruppi acetilici alle molecole immunitarie. Questo processo è chiamato acetilazione. Non è ancora chiaro cosa renda alcune piante in grado di resistere a queste contromisure batteriche mentre altre soccombono all'infezione.

Per comprendere meglio tali interazioni tra patogeni e piante, il team di Chory si è rivolto alla ben studiata erbaccia Arabidopsis thaliana e, in particolare, un enzima chiamato SOBER1, che in precedenza era stato segnalato per sopprimere la risposta immunitaria della pianta a una proteina batterica nota come AvrBsT. Sebbene possa sembrare controintuitivo utilizzare la soppressione immunitaria per studiare la resistenza alle infezioni, i biologi del Salk hanno pensato che ciò avrebbe potuto fornire informazioni utili.

I ricercatori hanno iniziato determinando la sequenza amminoacidica di SOBER1, ovvero l'ordine particolare dei mattoni che conferisce a una proteina la sua identità di base. Curiosamente, hanno scoperto che era molto simile a un enzima umano correlato al pathway del cancro. Questo enzima contiene un tunnel caratteristico in cui le proteine con determinati tipi di modificazioni possono adattarsi ed essere tagliate come parte della reazione enzimatica. A quanto pare, SOBER1 può essere classificato come parte di una vasta superfamiglia proteica nota come alfa/beta idrolasi. Questi enzimi condividono una struttura di base comune, ma sono molto flessibili nelle reazioni chimiche che catalizzano, che vanno dalla scomposizione dei grassi alla detossificazione di sostanze chimiche chiamate perossidi.

Successivamente, hanno utilizzato una tecnica vecchia di oltre 100 anni, chiamata cristallografia a raggi X, per determinare la struttura tridimensionale di SOBER1. Sebbene simile all'enzima umano, il tunnel dell'enzima vegetale presentava due amminoacidi aggiuntivi che sporgevano dalla parte superiore: uno all'ingresso e uno al centro.

"Quando li abbiamo visti, abbiamo capito che dovevano avere un effetto notevole sulla funzionalità perché sostanzialmente bloccano il tunnel", afferma Marco Bürger, ricercatore associato del Salk e co-primo autore.

Per scoprire quale potesse essere lo scopo, Bürger e il co-autore Björn Willige, anch'egli ricercatore associato, hanno utilizzato substrati (molecole su cui agiscono gli enzimi) di diverse lunghezze e ne hanno testato biochimicamente la capacità di adattarsi all'enzima e la possibilità di tagliarli. Solo alcuni tipi si adattavano e venivano tagliati: gruppi acetilici molto corti. Questo suggeriva che SOBER1 fosse una deacetilasi, una classe di enzimi che rimuove i gruppi acetilici. Inoltre, il team ha mutato SOBER1, aprendo così il tunnel ostruito. Con questa modifica, Bürger e Willige hanno ingegnerizzato un enzima che ha perso la sua forte specificità per i gruppi acetilici corti, preferendo invece substrati più lunghi.

"Per i primi esperimenti biochimici abbiamo utilizzato substrati artificiali consolidati", afferma Willige. "Ma poi volevamo vedere cosa sarebbe successo nelle piante".

Per questo, hanno utilizzato piante di tabacco, che hanno foglie grandi e facili da lavorare, e un batterio con una proteina chiamata AvrBsT, nota per innescare l'acetilazione. Hanno prodotto AvrBsT in diverse regioni delle foglie di tabacco insieme a SOBER1 e diverse versioni mutate (e quindi non funzionali) dell'enzima.

Le foglie che producevano AvrBsT presentavano macchie marroni di tessuto mortoIoCiò indica che AvrBsT aveva avviato un programma di morte cellulare per limitare la diffusione sistemica del patogeno. Le foglie che producevano AvrBsT insieme a SOBER1 apparivano sane, indicando che SOBER1 invertiva l'azione di AvrBsT. Sorprendentemente, le versioni mutate di SOBER1 con un tunnel aperto non erano in grado di impedire la morte del tessuto. Da ciò, i ricercatori hanno concluso che la deacetilazione doveva essere la reazione chimica sottostante che porta alla soppressione della risposta immunitaria della pianta.

I test sul tabacco hanno supportato l'ipotesi che SOBER1 fosse una deacetilasi in grado di rimuovere i gruppi acetilici aggiunti dalle proteine batteriche. Senza i gruppi acetilici che marcavano le proteine, la pianta non le riconosceva come estranee e quindi non innescava una risposta immunitaria che uccidesse le cellule. Le foglie apparivano più sane perché le cellule non stavano morendo.

"La funzione di SOBER è sorprendente perché mantiene in vita i tessuti infetti, il che mette a rischio la pianta", afferma Chory, che detiene anche la cattedra Howard H. e Maryam R. Newman in Biologia Vegetale al Salk. "Ma stiamo appena iniziando a comprendere questi tipi di meccanismi e potrebbero esserci condizioni in cui l'azione di SOBER1 è benefica".

Ulteriori test hanno dimostrato che l'attività e la funzione di SOBER1 non sono limitate all'erbaccia Arabidopsis thaliana, ma è presente anche in una pianta chiamata colza, dimostrando che le scoperte del laboratorio di Chory potrebbero essere applicate alle colture agricole e alle risorse di biocarburanti.

Bürger e Willige vorrebbero poi iniziare lo screening degli inibitori chimici che potrebbero bloccare SOBER1, consentendo così alle piante di avere una risposta immunitaria completa ai batteri patogeni.

Il lavoro è stato finanziato dall'Howard Hughes Medical Institute, dalla Deutsche Forschungsgemeinschaft, dall'Human Frontier Science Program e dal Pioneer Postdoctoral Endowment Fund.