Immersa in un mare remato dei suoi fratelli, una foglia di mais relegata al gradino più basso del suo stelo trascorre gran parte del pomeriggio di giugno immersa nell'ombra proiettata dalle piante più in alto.
Quindi una raffica inizia a spingere, tirare e torcere le ali cerose in concerto, aprendo una finestra sulla palla di fuoco che rotea a 93 milioni di miglia di distanza. È un'opportunità primaria e preziosa per la fotosintesi di trasformare la luce del sole in cibo. Sfortunatamente, l'equivalente fotosintetico di un limitatore di sovratensione, evolutosi per aiutare le piante a mitigare i danni causati da improvvisi picchi di luce ad alta intensità, è lento a ripristinarsi dopo così tanto tempo all'ombra. La raffica si dissipa, l'attimo passato prima che la foglia e la sua cucina cellulare possano approfittarne.
Il valore di un'estate di quelle minuscole ma mancate opportunità di raccogliere la luce può costare ai campi di grano, ea coloro che li coltivano, una parte considerevole dei potenziali raccolti che producono in autunno. Identificando e misurando di recente l'influenza del nuovo geni che regolano il dispositivo di protezione contro le sovratensioni, Kasia Glowacka e colleghi dell'Università del Nebraska-Lincoln potrebbero contribuire ad aumentare tali rendimenti fino al 20%.
Il che non vuol dire minimizzare l'importanza della salvaguardia, che va sotto il nome di estinzione non fotochimica, o NPQ, e può trasformare la luce in calore ogni volta che una pianta assorbe più della prima di quanta ne possa impiegare per la fotosintesi. Un fallimento nel tagliare il circuito biochimico, dopotutto, può portare a un accumulo tossico di ossigeno ultra-reattivo che danneggia il DNA e può persino uccidere una cellula. Ma la misura di sicurezza ha uno svantaggio: più è lento rilassarsi e riprendere a lasciare che la luce assorbita alimenti la fotosintesi, più energia viene sprecata.
“Quando pensi dalla prospettiva di un cloroplasto in a cellula vegetale, la vita è davvero difficile", ha detto Glowacka, assistente professore di biochimica al Nebraska. "Ogni pochi secondi, l'ambiente cambia".
Nel 2016, Glowacka ha contribuito a uno studio che dimostra che è consentito aumentare l'attività di tre particolari geni piante di tabacco per accendere e spegnere NPQ a un ritmo molto più veloce, garantendogli sia una migliore protezione che una fotosintesi più efficiente. Quel tabacco, a sua volta, produce foglie circa il 20% più grandi, con simulazioni che suggeriscono che potrebbero essere possibili guadagni ancora maggiori. La ricerca successiva ha scoperto che la stessa tecnica potrebbe generare benefici simili nella soia, non solo per le foglie, ma anche per i fagioli.
Ma il tabacco e la soia impiegano una forma diversa di fotosintesi rispetto a mais, sorgo, canna da zucchero e molte altre colture più adatte a condizioni calde e secche, colture i cui raccolti devono aumentare per aiutare a nutrire i 10 miliardi di persone che dovrebbero popolare il mondo entro il 2050. si chiedeva Glowacka se i geni che codificano per l'attività NPQ in uno potrebbero svolgere lo stesso ruolo nell'altro. Anche se lo avessero fatto, Glowacka e James Schnable del Nebraska hanno pensato che dovevano esserci altri geni che aiutavano un processo complesso come NPQ.
Avevano ragione. La loro scoperta è iniziata con il duro lavoro nei campi durante le estati del 2020 e del 2021, quando il team ha piantato più di 700 linee di mais geneticamente diverse presso la Havelock Research Farm nel nord-est di Lincoln. Il piano di Glowacka: cerca le differenze nelle prestazioni NPQ tra le linee, quindi cerca di individuare quali geni sono stati in ultima analisi responsabili di tali differenze. Tuttavia, Glowacka sapeva che i metodi esistenti per misurare il NPQ erano costosi e richiedevano molto tempo. Inoltre, hanno lottato per appiattire le disparità quotidiane nell'esposizione alla luce di ciascuna linea, rovinando potenzialmente la validità di qualsiasi scoperta.
Piuttosto che accontentarsi, Glowacka ha sviluppato il suo metodo. Il team ha utilizzato un perforatore modificato per estrarre minuscoli campioni dalle foglie di ogni linea nel campo. Tornati in laboratorio, i ricercatori hanno concesso ai campioni di tessuto quasi un giorno per adattarsi all'oscurità, misurando infine la loro fluorescenza, un proxy per la fotosintesi e NPQ, prima e dopo l'esposizione a lampi di luce. Invece di misurare un campione ogni 20 minuti, il team è stato in grado di gestire 96 campioni nello stesso arco di tempo.
I ricercatori hanno scoperto che la velocità e l'entità delle risposte NPQ variavano ampiamente tra le linee, un fatto che ha contribuito a facilitare la ricerca di eventuali nuovi geni che potrebbero guidare quella variazione nel mais. Un confronto tra le linee codice genetico, confrontato con le differenze nelle prestazioni NPQ, alla fine ha rivelato sei promettenti geni candidati. Molti di quei candidati erano già familiari alla squadra. Altri non lo erano, incluso uno chiamato PSI3, che ha introdotto più di quella variazione rispetto a qualsiasi altro candidato.
Dopo aver identificato le controparti di quei sei geni in Arabidopsis, a pianta fiorita comunemente usato per studiare biologia vegetale, il team ha proceduto all'ordine dei mutanti: semi di Arabidopsis, ciascuno privo di uno dei sei geni. In tutti e sei i mutanti, il limitatore di sovratensione era generalmente lento a rispondere sotto le luci, ma anche più lento a rilassarsi quando le luci venivano spente. Anche i picchi NPQ erano in genere più bassi e le depressioni più alte, suggerendo che le piante hanno sia protetto meno contro i picchi sia sprecato più luce disponibile per la fotosintesi.
L'identificazione di quei geni, combinata con la quantità di variazione NPQ naturale tra le linee di mais, potrebbe aprire la strada alla selezione piante molto meglio nel capitalizzare la luce solare che aumenta la resa, hanno detto i ricercatori. Nel migliore dei casi, ha affermato Schnable, questi sforzi potrebbero dare i loro frutti in appena una mezza dozzina di anni.
Se lo fanno, i risultati potrebbero rivelarsi un vantaggio per i coltivatori che ora stanno studiando tutte le possibilità per prevenire la scarsità di cibo globale nei prossimi decenni.
"Possiamo ottenere il 22% di quella resa dai raccolti, potenzialmente, se dovessimo accelerare il NPQ", ha affermato Glowacka.
Dato che i ricercatori hanno dato il via allo studio all'inizio del 2020, i loro tentativi di aiutare ad arginare un'imminente crisi globale hanno significato affrontarne una contemporanea. Due dei membri del team, Seema Sahay e Marcin Grzybowski, erano arrivati negli Stati Uniti solo di recente, abbastanza di recente che nessuno dei due aveva ancora preso la patente di guida. Prima di COVID-19, i due avrebbero fatto l'autostop alla Havelock Research Farm.
I protocolli universitari progettati per rallentare la diffusione del virus, tuttavia, hanno temporaneamente sospeso tale opzione. Imperterriti, Sahay e Grzybowski ricorrevano regolarmente alla bicicletta per circa sette miglia fino alla fattoria di ricerca, un trekking di oltre 30 minuti tra il caldo e l'umidità di un'estate del Nebraska.
"Seema e Marcin", ha detto Glowacka, "sono i veri eroi di questo esperimento".
Lo studio è pubblicato sulla rivista Nuovo Phytologist.