Acqua o terra? Assolutamente indifferente – le piante regolano la fotosintesi indipendentemente dalla loro origine in modo uniforme

Immagine microscopica di un cloroplasto, all'interno del quale avviene la fotosintesi. (Foto: Dr. Alexander Hertle, MPI per la fisiologia molecolare delle piante)

Professore associato Dr. Felix Willmund (Foto: TUK)

Le piante svolgono la fotosintesi e costituiscono la base della maggior parte della vita sulla Terra. Ricercatori di Kaiserslautern e Potsdam hanno ora studiato se la produzione delle proteine della fotosintesi nelle piante terrestri e nelle alghe differisca. Per farlo, hanno analizzato la traduzione; il processo mediante il quale le informazioni genetiche vengono convertite in proteine. Hanno scoperto che tutte le piante producono le stesse quantità di proteine per questo scopo, ma con strategie leggermente diverse. Il risultato mostra quanto siano importanti queste proteine per le piante, indipendentemente dall'habitat. Le scoperte dello studio possono aiutare a rendere le colture più resistenti ai cambiamenti climatici. Il lavoro è stato pubblicato sulla rivista specializzata "Nature Plants".

Durante la fotosintesi, le piante producono carboidrati utilizzando CO2 e l'energia luminosa. In questo processo rilasciano anche ossigeno. Questo complesso processo biochimico avviene nei cloroplasti; piccoli organelli verdi che possiedono un proprio patrimonio genetico. "Contiene anche i geni delle proteine coinvolte nella fotosintesi", afferma il professore associato Dr. Felix Willmund del dipartimento di genetica degli eucarioti presso il Politecnico di Kaiserslautern.

Per "convertire" queste informazioni genetiche in proteine, si crea prima una copia del patrimonio genetico, l'acido ribonucleico (RNA). "La copia funge da una sorta di progetto, con il quale grandi complessi molecolari, i ribosomi, assemblano le proteine a partire da singoli aminoacidi", spiega il primo autore Dr. Raphael Trösch, che lavora nel gruppo di Willmund nel campus di Kaiserslautern. Questo processo è chiamato anche traduzione.

Nello studio attuale, Trösch e Willmund, insieme a colleghi tra cui il Dr. Reimo Zoschke dell'Istituto Max Planck per la fisiologia molecolare delle piante (MPI-MP) a Potsdam-Golm, hanno indagato se ci siano differenze tra piante terrestri e alghe molto distanti dal punto di vista evolutivo. Hanno confrontato questi processi molecolari in un'alga verde, nella pianta del tabacco e nella pianta di senape con una nuova metodologia. È stato utilizzato il cosiddetto profiling dei ribosomi. Con questa tecnica, i ricercatori osservano l'RNA e i ribosomi presenti durante la traduzione. Come un'impronta digitale, i ribosomi lasciano tracce sull'RNA che permettono agli scienziati di creare un'immagine caratteristica, mostrando quali proteine vengono prodotte e in quale quantità. La particolarità: "Con questa tecnica otteniamo sia una panoramica dell'intera traduzione, sia la possibilità di analizzare dettagli più specifici", afferma Zoschke, che dirige il gruppo di regolazione della traduzione nelle piante presso l'MPI-MP.

"In tutte e tre le specie di piante abbiamo scoperto che, durante la traduzione, vengono prodotte le stesse quantità di proteine coinvolte nella fotosintesi", afferma Zoschke. Tuttavia, i ricercatori hanno anche riscontrato differenze nei processi molecolari che avvengono prima e durante la traduzione. "Tuttavia, nel corso dell'evoluzione, le diverse piante hanno sviluppato meccanismi per produrre le stesse componenti della fotosintesi in quantità uguali durante la traduzione", afferma Willmund. "Ciò evidenzia l'importanza centrale di queste molecole."

Il lavoro si è svolto nell'ambito del progetto di ricerca speciale (SFB Transregio TRR175) "The Green Hub – Il cloroplasto come centro dell'acclimatazione delle piante". Questo progetto è finanziato dalla Deutsche Forschungsgemeinschaft dal 2016. Ricercatori di Berlino, Potsdam-Golm, Monaco e Kaiserslautern indagano come le piante riescano ad adattarsi a condizioni ambientali mutevoli.

Anche i risultati dello studio attuale mostrano che, con strategie diverse, le piante riescono a mantenere un processo di fotosintesi molto simile, nonostante condizioni di vita molto diverse. Per questo motivo, è importante studiare questi processi fondamentali per comprendere meglio quali meccanismi le piante utilizzino, ad esempio, per affrontare variazioni estreme di temperatura o luce. In futuro, questa conoscenza potrà aiutare a rendere le colture più resistenti ai cambiamenti climatici.

Lo studio è stato pubblicato sulla rinomata rivista "Nature Plants": "Commonalities and differences of chloroplast translation in a green alga and land plants" DOI: 10.1038/s41477-018-0211-0