I ricercatori hanno rivelato per la prima volta come un gene chiave nelle piante consente loro di utilizzare la loro energia in modo più efficiente, consentendo loro di far crescere più radici e catturare più acqua e sostanze nutritive.
Un team internazionale di scienziati vegetali guidati dalla Penn State University e in collaborazione con l'Università di Nottingham ha scoperto questo nuovo gene regolatore (chiamato bHLH121) che consente alle radici del mais di acquisire più acqua e sostanze nutritive. I risultati sono stati pubblicati nel Atti della National Academy of Science.
Il gene controlla la formazione di spazi aerei tra i tessuti radicali vivi (chiamati aerenchima corticale radicale). La sostituzione di una grande percentuale di cellule radicali con spazi aerei fa risparmiare alla pianta molta energia che sarebbe altrimenti necessaria per nutrire tutte queste cellule radicali. Ciò rende le radici metabolicamente più efficienti, consentendo loro di utilizzare le risorse risparmiate per costruire più radici ed esplorare il suolo in modo più efficace e catturare più acqua e sostanze nutritive.
Questa scoperta potrebbe portare all'allevamento di colture in grado di resistere alla siccità e alle condizioni del suolo a basso contenuto di azoto e, infine, alleviare l'insicurezza alimentare globale, suggeriscono i ricercatori.
“Identificare questo gene e come funziona ci consentirà di creare colture più resistenti in grado di resistere alle condizioni di stress idrico e nutritivo che si verificano a seguito di cambiamento climatico", afferma Rahul Bhosale, assistente professore di genomica funzionale delle colture presso la School of Biosciences e BBSRC Discovery Fellow.
Il team di ricerca ha utilizzato potenti strumenti di imaging sviluppati in precedenti ricerche presso la Penn State che hanno misurato rapidamente le cellule in migliaia di radici. UN tecnica di imaging chiamato tomografia ad ablazione laser è stato fondamentale per questo approccio. Questo approccio all'avanguardia è ora disponibile anche presso l'Università di Nottingham.
Hannah Schneider, assistente professore di fisiologia delle colture presso la Wageningen University & Research, Paesi Bassi, ha dichiarato: "Abbiamo eseguito per la prima volta gli esperimenti sul campo che sono entrati in questo studio a partire dal 2010, coltivando più di 500 linee di mais in siti in Pennsylvania, Arizona, Wisconsin e South Africa”, ha detto. “Ho lavorato in tutte quelle località. Abbiamo visto prove convincenti che avevamo localizzato un gene associato all'aerenchima corticale della radice".
Questa ricerca ha rivelato che le linee di mais mutanti prive del gene bHLH121 hanno mostrato una formazione ridotta dello spazio aereo radicale. Al contrario, la sovraespressione di bHLH121 ha causato una maggiore formazione di spazio aereo.
La caratterizzazione di queste linee in condizioni di disponibilità subottimale di acqua e azoto in più posizioni ha rivelato che il gene bHLH121 è necessario per radice formazione dello spazio aereo e fornisce un nuovo strumento per i coltivatori di piante per selezionare varietà con una migliore esplorazione del suolo, e quindi resa, in condizioni non ottimali.
"Questi risultati sono il risultato di molte persone alla Penn State e oltre che collaborano con noi, lavorando da molti anni", ha affermato. "Abbiamo scoperto la funzione del tratto aerenchima e quindi il gene ad esso associato, e ciò è avvenuto grazie a tecnologie che sono state ideate qui alla Penn State, come Shovelomics, scavando radici nel campo, tomografia ad ablazione laser e anatomia Tubatura. Abbiamo messo insieme tutti questi elementi in questo lavoro", afferma il professor Jonathan Lynch, responsabile della ricerca presso la Penn State.
I risultati sono significativi, ha continuato Lynch, perché trovare un gene dietro un tratto importante che aiuterà piante avere una migliore tolleranza alla siccità e una migliore cattura di azoto e fosforo incombono di fronte al cambiamento climatico.
"Queste sono qualità estremamente importanti, sia qui negli Stati Uniti che in tutto il mondo", ha affermato. “La siccità è il rischio maggiore per i coltivatori di mais e sta peggiorando con il cambiamento climatico, e l'azoto è il costo maggiore della coltivazione del mais, sia dal punto di vista finanziario che ambientale. Allevamento mais linee più efficienti nello scavenging del nutriente sarebbero uno sviluppo importante”.