I semi sono il prodotto finale della riproduzione delle piante. Direttamente come cibo o indirettamente come mangime per animali, forniscono circa l’80% delle calorie dell’umanità. Da quando l’uomo è diventato sedentario, nel corso dei millenni ha allevato innumerevoli varietà di piante con caratteristiche favorevoli come l’aumento della resa, il miglioramento della qualità, la resistenza ai parassiti o la tolleranza alle influenze ambientali. Quando è possibile, l’agricoltura ricorre a varietà ibride, create dall’incrocio di due linee consanguinee e più resistenti e più produttive delle varietà normali. Il problema è che queste caratteristiche desiderate si perdono durante la propagazione e devono quindi essere ricreate di anno in anno.
Se fosse possibile propagare le piante coltivate attraverso la riproduzione asessuata - nota come apomissia - ciò equivarrebbe a una rivoluzione agricola. Se la fecondazione delle cellule germinali femminili viene bypassata dallo sperma maschile, si producono semi geneticamente identici alla pianta madre. Le varietà di piante con le caratteristiche desiderate potrebbero quindi essere propagate molto più facilmente - come cloni di semi. Ueli Grossniklaus e il suo team dell’Istituto di microbiologia e piante dell’Università di Zurigo (UZH) hanno fatto un grande passo avanti verso il raggiungimento di questo obiettivo. Abbiamo scoperto il segnale nella pianta modello del crescione che attiva la cellula germinale femminile durante la fecondazione per formare un nuovo seme", spiega Grossniklaus.
Nelle piante avvengono due processi di fecondazione: Due spermatozoi si fondono ciascuno con una cellula germinale femminile. Uno spermatozoo feconda la cellula uovo, da cui si forma l’embrione e, in ultima analisi, la generazione successiva. Il secondo si fonde con la cellula centrale, che si sviluppa nel tessuto nutritivo che fornisce all’embrione le sostanze nutritive. Insieme si sviluppano gli spermatozoi. Affinché la fecondazione abbia successo, gli spermatozoi e le cellule germinali devono trovarsi nella stessa fase del ciclo cellulare - in altre parole, devono essere "sincronizzati".
L’attivazione mirata della divisione cellulare senza fecondazione apre nuove possibilità di introdurre l’apomissia nelle piante coltivate, in particolare nelle varietà ibride più resistenti e ad alto rendimento.
La sincronizzazione precede la divisione delle cellule germinali
Era noto che le cellule spermatiche dell’Arabidopsis thaliana sono in fase preparatoria per la divisione cellulare. Come ha dimostrato il team di Grossniklaus, anche la cellula uovo si trova in questo stato di quiescenza. La cellula centrale, invece, è bloccata nel mezzo della fase precedente in cui il materiale genetico viene duplicato. Mentre lo spermatozoo e la cellula uovo si trovano nella stessa fase del ciclo cellulare, la cellula centrale deve prima completare la sintesi del DNA dopo la fecondazione prima che possa iniziare la prima divisione.
L’arresto del ciclo cellulare è causato da una proteina non completamente degradata nella cellula centrale e quindi ancora presente. Quando lo spermatozoo feconda la cellula germinale, introduce contemporaneamente la proteina ciclina, che attiva la degradazione della proteina inibitoria. Solo ora la cellula centrale può completare la duplicazione del DNA e passare alla fase successiva del ciclo cellulare. Per la prima volta abbiamo decifrato il meccanismo molecolare di come il segnale viene trasmesso dalla cellula spermatica alla cellula germinale femminile per annullare il suo stato di quiescenza. Segnala alla cellula centrale che la fecondazione è avvenuta con successo e che ora può avvenire la divisione cellulare", spiega la prima autrice Sara Simonini.
Se il crescione è stato geneticamente modificato in modo che le cellule centrali producessero esse stesse la proteina ciclina, le cellule germinali hanno iniziato a dividersi anche senza fecondazione. Ora possiamo innescare in modo specifico questa attivazione senza fecondazione. Questo apre nuove possibilità di introdurre l’apomissia nelle piante coltivate, soprattutto nelle varietà ibride che sono più resistenti e producono rese più elevate rispetto alle varietà normali", afferma Ueli Grossniklaus. Se l’apomissia potesse essere utilizzata in queste colture, milioni di piccoli agricoltori del Sud del mondo avrebbero per la prima volta accesso a semi ibridi, che potrebbero conservare per la semina successiva.
Letteratura :
Sara Simonini, Stefano Bencivenga e Ueli Grossniklaus. Un segnale paterno induce la proliferazione dell’endosperma al momento della fecondazione in Arabidopsis. Science. 9 febbraio 2024. adj4996
