La germinazione dei semi dipende dalla luce in molte piante. Ma non sempre: Aethionema arabicum, pianta adattata a condizioni ambientali difficili, fa a modo suo. Qui, i fitocromi, i recettori per la luce rossa e rossa lontana, svolgono un ruolo inaspettato nella germinazione dei semi e programmano questo processo per la stagione ottimale.
Questi risultati, ora pubblicati in Fisiologia vegetale, sono un esempio convincente del ricablaggio evolutivo dei moduli di segnalazione che aiutano le piante ad adattarsi ai loro habitat. Lo studio è stato condotto da ricercatori del Gregor Mendel Institute of Molecular Plant Biology (GMI) dell'Accademia austriaca delle scienze.
mentre alcuni semi di piante richiedono luce per germogliare, altri semi sono insensibili o addirittura inibiti dalla luce. La maggior parte delle intuizioni sul ruolo della luce durante germinazione del seme derivano da studi che utilizzano l'organismo modello Arabidopsis thaliana, in cui è necessaria la luce per avviare la germinazione.
Al contrario, la luce è un forte inibitore della germinazione in altre piante, ma la base molecolare di questo effetto è rimasta in gran parte sconosciuta. Un team di ricercatori, guidato dalla dott.ssa Zsuzsanna Mérai presso il Gregor Mendel Institute (GMI), ha ora utilizzato la pianta Aethionema arabicum (Brassicaceae) per studiare il meccanismo molecolare della luce inibita seme germinazione.
Aethionema arabicum proviene da habitat aperti e asciutti dove la germinazione dei semi in superficie durante giornate luminose, lunghe e calde ridurrebbe le possibilità di sopravvivenza delle piantine. La leggera inibizione della germinazione è interpretata come un tratto per limitare la germinazione alle stagioni più fresche o ai semi situati sottoterra.
Nel loro studio, Mérai e i suoi colleghi hanno dimostrato che i fitocromi, i recettori della luce per le lunghezze d'onda del rosso e del rosso lontano, svolgono un duplice ruolo nella risposta alla luce nell'Aethionema; possono stimolare ma anche inibire la germinazione. Misurando il intensità luminosa e durata attraverso i fitocromi, i semi acquisiscono informazioni sulla durata del giorno e quindi sulla stagione.
Una variante cipriota aiuta a comprendere l'inibizione della luce
Mérai e i suoi colleghi usano semi di una variante di Aethionema originaria di Cipro (CYP) che non germinano se esposti alla luce bianca. Nel suo habitat naturale, la variante CYP germina solo all'inizio della primavera, quando le giornate sono relativamente brevi e le temperature sono fresche. Ciò consente alla pianta di completare il suo ciclo di vita prima della secca stagione estiva.
Mérai ha cercato di indagare il meccanismo di inibizione della luce in Aethionema CYP creando una raccolta di semi mutagenizzati che hanno schermato per mutanti che potrebbero germinare anche in luce bianca, in contrasto con la linea originale. Ora, i ricercatori hanno caratterizzato un mutante al livello molecolare.
Lo chiamavano "koy-1", dopo Koyash, il dio del sole nella mitologia turca. Hanno dimostrato che la sua mutazione ha influenzato HEME OXYGENASE 1, un gene chiave richiesto per la biosintesi dei cromofori, le molecole dei fitocromi che rilevano la luce. Questa mutazione limita la quantità della proteina cromofora ed è responsabile dell'alterata reattività alla luce di koy-1.
Il duplice ruolo dei fitocromi consente l'adattamento ambientale
Il mutante koy-1 ha permesso a Mérai e ai suoi colleghi di scoprire ulteriori dettagli meccanicistici. "Variando l'intensità della luce, la lunghezza d'onda e la durata, siamo stati in grado di sezionare complessi modelli di risposta alla luce legati ai fitocromi in Aethionema", afferma Mérai. nella germinazione dei semi di Aethionema.”
I loro esperimenti hanno dimostrato che un'elevata intensità e durata della luce inibivano fortemente la germinazione, mentre una breve esposizione la favoriva. Queste due risposte opposte alla luce derivano da proporzioni diverse tra due ormoni chiave: l'acido abscissico che inibisce la germinazione (ABA) e l'acido gibberellico che induce la germinazione (GA).
“Sapevamo già che l'esposizione alla luce nell'Arabidopsis portava a livelli elevati di GA e bassi livelli di ABA. Ora sappiamo anche che Aethionema CYP risponde in modo simile sotto una luce molto limitata. Tuttavia, con l'aumentare dell'irraggiamento, i livelli ormonali si capovolgono letteralmente, con conseguente inibizione della germinazione", afferma Mérai. "Le risposte opposte all'intensità e alla durata della luce hanno una base genetica e sono un adattamento all'ambiente naturale delle piante, che consente all'Aethionema CYP di germogliare all'inizio della primavera, ma non più tardi".
Evolution funziona con i moduli di ricablaggio
Svelando che gli stessi attori molecolari potrebbero mediare effetti diametralmente opposti, il team documenta come l'evoluzione possa aver "ricablato" i moduli esistenti per rispondere adeguatamente ai requisiti ambientali. Con tali variazioni combinatorie, documentate in più organismi, l'evoluzione può raggiungere cambiamenti "rapidi" senza la necessità che nuovi attori si evolvano da zero.
“Le nostre scoperte aprono la strada a una migliore comprensione dei processi molecolari in natura e della biodiversità studiando organismi non modello e piante non coltivate. La conoscenza scientifica acquisita da Arabidopsis è essenziale, ma non sempre rappresentativa di tutte le piante. Qui dimostriamo che potremmo persino scoprire meccanismi molecolari completamente opposti in natura", conclude Mérai, il cui lavoro stabilisce Aethionema come un nuovo modello per studiare gli effetti della luce sui semi germinazione.