Le superiori capacità di fotosintesi di alcune piante potrebbero essere la chiave per colture resistenti al clima

Le superiori capacità di fotosintesi di alcune piante potrebbero essere la chiave per colture resistenti al clima

Gli scienziati del Salk scoprono come alcune specie vegetali hanno sviluppato un approccio alla fotosintesi più efficiente; le scoperte potrebbero contribuire a rendere colture come riso e grano più resistenti ai cambiamenti climatici

LA JOLLA—Più di 3 miliardi di anni fa, su una Terra interamente ricoperta d'acqua, la fotosintesi si è evoluta per la prima volta in piccoli batteri antichi. Nei successivi milioni di anni, questi batteri si sono evoluti in piante, ottimizzandosi lungo il percorso per i vari cambiamenti ambientali. Questa evoluzione è stata scandita circa 30 milioni di anni fa dall'emergere di un modo più nuovo e migliore per fotosintesi. Mentre piante come il riso continuavano a utilizzare un'antica forma di fotosintesi nota come C3, altre come il mais e il sorgo ne hanno sviluppata una versione più nuova ed efficiente chiamata C4.

Esistono oggi più di 8,000 diverse specie di piante C4, che crescono particolarmente bene nei climi caldi e secchi e sono tra le specie coltivate più produttive al mondo. Tuttavia, la stragrande maggioranza delle piante sfrutta ancora la fotosintesi C3. Come sono nate le piante C4 e potrebbero mai essere aggiornate in modo simile?

Ora, per la prima volta in assoluto, gli scienziati del Salk e i suoi collaboratori presso l'Università di Cambridge hanno scoperto un passaggio fondamentale che le piante C4 come il sorgo hanno dovuto compiere per evolversi e diventare così efficienti nella fotosintesi, e come potremmo usare queste informazioni per rendere colture come riso, grano e soia più produttive e resistenti al riscaldamento climatico.

I risultati sono stati pubblicati in Nature Il novembre 20, 2024.

"Chiedere cosa rende diverse le piante C3 e C4 non è importante solo dal punto di vista biologico di base, ovvero sapere perché qualcosa si è evoluto e come funziona a livello molecolare", afferma il professor Giuseppe Ecker, autore senior dello studio, presidente del Salk International Council in Genetica e ricercatore presso l'Howard Hughes Medical Institute. "Rispondere a questa domanda rappresenta un enorme passo avanti verso la comprensione di come possiamo ottenere colture più robuste e produttive possibili, nonostante i cambiamenti climatici e la crescita della popolazione globale".

Circa il 95% delle piante utilizza la fotosintesi C3, in cui le cellule del mesofillo – cellule spugnose verdi che vivono all'interno delle foglie – trasformano luce, acqua e anidride carbonica in zuccheri che alimentano la pianta. Nonostante la sua elevata prevalenza, la fotosintesi C3 presenta due gravi carenze: 1) nel 20% dei casi, l'ossigeno viene utilizzato accidentalmente al posto dell'anidride carbonica e deve essere riciclato, il che rallenta il processo e spreca energia, e 2) i pori sulla superficie fogliare si aprono troppo frequentemente in attesa che l'anidride carbonica entri, causando la perdita di acqua della pianta e rendendola più vulnerabile alla siccità e al caldo.

Fortunatamente, l'evoluzione ha risolto questi problemi con la fotosintesi C4. Le piante C4 reclutano cellule della guaina del fascio, che normalmente fungono da supporto alle nervature fogliari, per fotosintetizzare insieme alle cellule del mesofillo. Di conseguenza, le piante C4 eliminano quegli errori nell'uso dell'ossigeno per risparmiare energia e mantengono i pori superficiali della pianta chiusi più spesso per risparmiare acqua. Il risultato è un aumento del 50% dell'efficienza rispetto alle piante C3.

Ma a livello molecolare, cosa ha spinto le piante C3 a trasformarsi in piante C4? E gli scienziati potrebbero indurre le colture C3 a diventare colture C4?

Per rispondere a queste domande, gli scienziati del Salk hanno utilizzato una tecnologia all'avanguardia di genomica monocellulare per analizzare le differenze tra riso C3 e sorgo C4. Mentre i metodi precedenti erano troppo imprecisi per distinguere cellule adiacenti come il mesofillo e le cellule della guaina del fascio, la genomica monocellulare ha permesso al team di studiare i cambiamenti genetici e strutturali in ciascun tipo cellulare di entrambe le piante.

"Siamo rimasti sorpresi ed entusiasti nello scoprire che la differenza tra piante C3 e C4 non risiede nella rimozione o nell'aggiunta di geni specifici", afferma Ecker. "Piuttosto, la differenza sta a livello regolatorio, il che potrebbe semplificare l'attivazione a lungo termine di una fotosintesi C4 più efficiente nelle colture C3".

Tutte le cellule di un organismo contengono gli stessi geni, ma il tipo di geni espressi in un dato momento determina l'identità e la funzione di ciascuna cellula. Un modo in cui l'espressione genica può essere modificata è attraverso l'attività dei fattori di trascrizione. Queste proteine riconoscono e si legano a piccoli tratti di DNA in prossimità dei geni, chiamati elementi regolatori. Una volta in posizione presso l'elemento regolatore, un fattore di trascrizione può contribuire ad "accendere" o "spegnere" i geni vicini.

Misurando l'espressione genica nelle piante di riso e sorgo, gli scienziati hanno scoperto che una famiglia di fattori di trascrizione, comunemente nota come DOF, era responsabile dell'attivazione dei geni che generano le cellule della guaina del fascio in entrambe le specie. Hanno anche notato che i DOF si legavano allo stesso elemento regolatore in entrambe le specie. Tuttavia, nelle piante di sorgo C4, questo elemento regolatore non era solo associato ai geni di identità della guaina del fascio, ma attivava anche i geni della fotosintesi. Ciò suggeriva che le piante C4 avessero a un certo punto aggiunto elementi regolatori ancestrali per i geni della guaina del fascio ai geni della fotosintesi, in modo che i DOF attivassero entrambi i gruppi di geni contemporaneamente. Questo spiegherebbe come le cellule della guaina del fascio nelle piante C4 abbiano acquisito la capacità di fotosintetizzare.

Questi esperimenti hanno rivelato che sia le piante C3 che C4 contengono i geni e i fattori di trascrizione necessari per il processo di fotosintesi C4, una scoperta promettente per gli scienziati che sperano di spingere le piante C3 a utilizzare la fotosintesi C4.

"Ora abbiamo questo modello di come diverse piante utilizzano l'energia solare per sopravvivere in ambienti diversi", afferma Joseph Swift, co-autore principale dello studio e ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Ecker. "L'obiettivo finale è cercare di attivare la fotosintesi C4 e, di conseguenza, creare colture più produttive e resilienti per il futuro".

Il prossimo obiettivo del team è determinare se il riso possa essere modificato geneticamente per utilizzare la fotosintesi C4 anziché C3. Questo rimane un obiettivo a lunghissimo termine con significative sfide tecniche che vengono affrontate da uno sforzo collaborativo globale noto come "Progetto Riso C4.” Più immediatamente, i risultati informeranno il Iniziativa Salk per lo sfruttamento delle pianteLa missione di creare colture ottimizzate che combattano e resistano contemporaneamente alla minaccia del cambiamento climatico.

I loro dati sulla genomica delle singole cellule sono stati condivisi come risorsa per gli scienziati di tutto il mondo, suscitando rapidamente entusiasmo per le risposte che forniscono a questo mistero di lunga data dell'evoluzione.

Tra gli altri autori figurano Travis Lee e Joseph Nery di Salk, nonché Leonie Luginbuehl, Lei Hua, Tina Schreier, Ruth Donald, Susan Stanley, Na Wang e Julian Hibberd dell'Università di Cambridge nel Regno Unito.

Il lavoro è stato sostenuto dall'Howard Hughes Medical Institute, dal Biotechnology and Biological Sciences Research Council, dal C4 Rice Project, dalla Bill and Melinda Gates Foundation, dalla Life Sciences Research Foundation, dalla Herchel Smith Fellowship e dall'European Molecular Biology Organization.

DOI: 10.1038/s41586-024-08204-3