Secondo le Nazioni Unite, la salinizzazione del suolo interessa tra il 20% e il 40% delle terre coltivabili in tutto il mondo. La maggior parte di questo processo è dovuto all’attività umana e ai cambiamenti climatici, in particolare all’innalzamento del livello del mare. Mentre il corpo umano ha bisogno di sodio per funzionare, le piante non ne hanno bisogno. L’eccesso di sale intorno alle loro radici blocca gradualmente il loro accesso all’acqua, ne ostacola la crescita, le avvelena e ne provoca la morte. Ogni anno, dieci milioni di ettari di terreni agricoli vengono distrutti dalla salinizzazione del suolo, mettendo a rischio la sicurezza alimentare globale.
Scienziati dell’EPFL e dell’Università di Losanna (UNIL) hanno collaborato con partner accademici spagnoli per osservare come il gene Salt Overly Sensitive 1 (SOS1), identificato nel 1996, protegge le cellule vegetali dal sale. Il team di biologi e ingegneri ha prodotto immagini senza precedenti utilizzando la microsonda ionica CryoNanoSIMS(Cryo Nanoscale Secondary Ion Mass Spectrometry). Grazie a questo strumento di microscopia criogenica unico nel suo genere, è possibile ottenere immagini precise del punto in cui uno specifico nutriente viene conservato o utilizzato in un campione di cellule o tessuti. Le loro osservazioni mostrano che, in caso di forte stress salino, il trasportatore di ioni SOS1 non elimina più il sodio ma contribuisce a caricarlo all’interno delle cellule in strutture chiamate vacuoli. Gli scienziati indicano che se si riuscisse a comprendere meglio questo meccanismo e a identificare il motivo per cui alcune specie sono più resistenti al sodio, si potrebbero mettere in atto nuove strategie per la sicurezza alimentare. Le loro scoperte sono state appena pubblicate su Nature.
Ora possiamo vedere dove viene trasportato il sodio a diversi livelli di stress salino, cosa che prima non eravamo in grado di fare a questa risoluzione.P riya Ramakrishna, borsista presso il Biological Geochemistry Laboratory (LGB)
La prima prova visiva
"La nostra ricerca fornisce la prima prova visiva su scala cellulare del meccanismo di difesa delle piante contro l’eccesso di sodio", spiega Priya Ramakrishna, primo autore dello studio e ricercatore post-dottorato presso il Laboratoire de géochimie biologique (LGB) dell’EPFL. "In precedenza, le ipotesi su questo meccanismo si basavano su prove indirette. Ora possiamo vedere dove viene trasportato il sodio a diversi livelli di stress salino, cosa che prima non eravamo in grado di fare a questa risoluzione". Il team congiunto dell’EPFL e dell’Università di Losanna ha effettuato osservazioni di una precisione senza precedenti utilizzando lo strumento CryoNanoSIMS, recentemente sviluppato, che può ottenere immagini chimiche dei tessuti biologici con una risoluzione di 100 nanometri. In questo caso, hanno ottenuto immagini di campioni di radici di piante che erano state congelate in un bagno di azoto liquido e mantenute a una temperatura molto bassa sotto vuoto, al fine di preservare tutti gli elementi presenti nel tessuto.Questo approccio ha permesso di mappare le singole cellule vegetali e di vedere dove gli elementi chiave, come potassio, magnesio, calcio e sodio, erano immagazzinati nelle punte delle radici di una pianta di prova, il crescione, in particolare nella parte della pianta nota come "meristema apicale della radice". Questa contiene le cellule staminali responsabili dello sviluppo del sistema radicale della pianta. Le immagini CryoNanoSIMS hanno mostrato lo stato della radice in due diverse condizioni di stress salino.
Cambiamento di strategia
In caso di stress salino lieve, le cellule riescono a impedire l’ingresso del sodio. Il team ha osservato un cambiamento di strategia in caso di stress salino elevato: invece di evacuare il sodio, come si pensava in precedenza, il trasportatore SOS1 aiuta a sequestrarlo nei vacuoli che di solito sono utilizzati per immagazzinare prodotti indesiderati. "Questo meccanismo di difesa ha lo svantaggio di essere ad alto consumo energetico, quindi rallenterà la crescita della pianta, ne inibirà le prestazioni e la porterà alla morte se lo stress salino persiste", spiega Priya Ramakrishna. Il team di ricerca ha convalidato le sue osservazioni eseguendo gli stessi esperimenti su campioni mutanti privi del gene trasportatore SOS1. Questi si sono dimostrati incapaci di trasportare il sodio nei vacuoli. Questo esperimento conferma l’elevata sensibilità di SOS1 al sale. Gli scienziati hanno condotto questi test anche su campioni di radici di riso - la coltura più diffusa al mondo - e hanno scoperto che, anche in questo caso, il sodio veniva trasportato nel vacuolo in caso di forte stress salino.
Grazie a questo tipo di collaborazione veramente interdisciplinare, possiamo associare la localizzazione alla funzione in processi e meccanismi mai osservati prima.A nders Meibom, professore all’Università di Losanna e all’EPFL
Combinare luogo e funzione
Per Priya Ramakrishna, biologa vegetale di formazione, l’imaging chimico reso possibile dallo strumento CryoNanoSIMS è una vera e propria svolta. Inoltre, la sonda ionica potrebbe essere utilizzata per studiare come le piante si proteggono da altre minacce, come l’inquinamento da metalli pesanti e i microbi. "Grazie a questo tipo di collaborazione veramente interdisciplinare, che unisce cioè biologia e ingegneria, possiamo collegare la posizione alla funzione di processi e meccanismi che non sono mai stati osservati prima", spiega l’autore corrispondente Anders Meibom, professore ordinario presso la Facoltà di Architettura e Ambiente Costruito dell’EPFL e presso la Facoltà di Geoscienze e Ambiente dell’Università di Losanna. Lo strumento CryoNanoSIMS è stato sviluppato nel suo laboratorio.Niko Geldner, coautore corrispondente dell’articolo e responsabile del team di ricerca presso la Facoltà di Biologia e Medicina dell’Università di Losanna, è altrettanto entusiasta di questa collaborazione: "Le piante dipendono fondamentalmente dall’estrazione di nutrienti minerali dal suolo, ma non siamo mai stati in grado di osservarne il trasporto e l’accumulo con una risoluzione sufficiente. La tecnologia CryoNanoSIMS sta finalmente raggiungendo questo obiettivo e promette di trasformare la nostra comprensione della nutrizione delle piante al di là del problema del sale". Christel Genoud, coautrice dell’articolo e direttrice del Dubochet Imaging Centre, ha aggiunto: "Questa tecnica apre un orizzonte completamente nuovo nell’imaging dei tessuti biologici e pone le nostre istituzioni in una posizione di leadership su questa frontiera".
