L’incredibile complessità architettonica delle piante

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Immagine in 3D di un tubo pollinico di scarpetta di mare marcato molecolarmente.
Immagine in 3D di un tubo pollinico di scarpetta di mare marcato molecolarmente. Il segnale verde mostra la struttura a ragnatela formata dai polisaccaridi della pectina insieme ai complessi proteici della parete cellulare. Questa disposizione fisica regolata dalle proteine fornisce un sistema di supporto per la crescita sostenuta delle cellule vegetali. Ursina Rathgeb ©DBMV-UNIL
Garantire una crescita e uno sviluppo, a volte sostenuti, senza il rischio di indebolire la pianta. È questo il delicato equilibrio che le piante devono affrontare. L’équipe guidata da Julia Santiago Cuellar, professore associato all’Università di Losanna, ha rivelato come una disposizione oculata delle molecole di zucchero, una sorta di mattoni, rafforzi la parete della pianta e le consenta di espandersi senza esplodere. La scoperta è stata pubblicata nell’edizione del 9 novembre 2023 della rivista Science.

Combinare estensibilità, robustezza e funzioni protettive

Le cellule vegetali si distinguono per la loro straordinaria capacità di utilizzare l’energia solare per convertire l’anidride carbonica atmosferica (CO2) in zuccheri. Gli zuccheri sono una fonte inesauribile non solo di energia, ma anche di materiali da costruzione. Come gli anelli di una catena, gli zuccheri possono unirsi per formare lunghi polimeri chiamati polisaccaridi. Disposti in una complessa rete attorno alla membrana plasmatica delle cellule vegetali, questi polisaccaridi costituiscono la parete cellulare. La parete cellulare funge sia da barriera protettiva sia da supporto per uno scheletro pressurizzato ed estensibile, che conferisce alla pianta la sua rigidità e al tempo stesso consente alle cellule vegetali di espandersi. Quando queste cellule cambiano forma, crescono o si dividono, devono rimodellare l’architettura della loro parete cellulare.

Crescere senza esplodere

Ma la domanda rimane: come fanno le cellule vegetali a organizzare la struttura della loro parete cellulare in modo da poter crescere senza rischiare di esplodere? Questo problema, centrale nella biologia vegetale, è alla base della comprensione dei meccanismi chiave della crescita delle piante e del loro adattamento a condizioni ambientali in costante cambiamento.

Crescita unidirezionale

In uno studio appena pubblicato su Science, il gruppo guidato da Julia Santiago Cuellar, professore associato presso il Dipartimento di Biologia Molecolare Vegetale della Facoltà di Biologia e Medicina dell’Università di Losanna, in collaborazione con un gruppo di scienziati dell’Institut national de la recherche agronomique (INRAE) di Versailles (Francia), fornisce alcune risposte. Abbiamo identificato un meccanismo attivo che, attraverso un complesso proteico, interagisce direttamente con i polisaccaridi della parete cellulare, assemblandoli secondo un particolare schema che favorisce l’espansione unidirezionale", spiega il professore di Losanna, che ha guidato la ricerca.

Fibre a ragnatela altamente resistenti

Per analizzare questo processo in dettaglio, gli scienziati hanno utilizzato come modello i tubi pollinici dell’Arabidopsisthaliana, strutture vegetali unicellulari di circa 5 um che crescono molto rapidamente. Il loro studio ha utilizzato un approccio multidisciplinare, combinando tecniche biochimiche, genetiche e di microscopia a super-risoluzione all’avanguardia per dissezionare il cuore di questo meccanismo sia in vitro che in pianta.

I nostri dati dimostrano come un complesso proteico attivato sia responsabile della formazione di catene di zucchero non strutturate, le pectine, in un modello organizzato di filamenti reticolati", spiega Julia Santiago Cuellar. Questa disposizione tridimensionale di fibre simili a una ragnatela consente alle pareti cellulari dei tubi pollinici di resistere a una pressione di turgore elevata (in aumento) sostenendo una crescita continua, senza esplodere. Questa struttura assomiglia a un solido sistema di supporto, come un tubo dell’acqua a prova di esplosione.

La nostra scoperta fornisce la prova molecolare che le cellule vegetali orchestrano l’appropriata organizzazione fisica e chimica delle loro pareti cellulari per sostenere la crescita e lo sviluppo della pianta", commenta il biologo.

Verso un’agricoltura più sostenibile

La comprensione dei complessi meccanismi con cui le piante modellano e rimodellano attivamente le loro pareti cellulari è un passo fondamentale nella ricerca di colture più resistenti. Creando colture in grado di adattarsi e prosperare in condizioni ambientali mutevoli, possiamo migliorare la sicurezza alimentare, ridurre l’impatto dell’agricoltura sull’ambiente e contribuire a un futuro più sostenibile. Questa idea incarna l’intersezione tra biologia vegetale e biotecnologia, al servizio dell’innovazione agricola", conclude Julia Santiago Cuellar.