Gli scienziati parlano alle piante con la luce

AGI - Immagina se gli esseri umani potessero "parlare" alle piante e avvisarle degli attacchi imminenti dei parassiti o delle condizioni meteorologiche estreme. Un team di scienziati del Sainsbury Laboratory dell'Università di Cambridge (SLCU) desidera trasformare questa fantascienza in realtà utilizzando la messaggistica basata sulla luce per "parlare" alle piante.

I primi esperimenti di laboratorio con il tabacco (Nicotiana benthamiana) hanno dimostrato che è possibile attivare il meccanismo di difesa naturale delle piante (risposta immunitaria) utilizzando la luce come stimolo (messaggero). La luce funge da mezzo universale di comunicazione quotidiana per gli esseri umani, ad esempio segnalazioni nei semafori, attraversamenti pedonali o lo stato aperto/chiuso di un negozio.

Il team di ricerca guidato da Alexander Jones sta utilizzando la luce come messaggero nello sviluppo di strumenti che consentano alle piante di comunicare con gli esseri umani e agli esseri umani di comunicare con le piante. In precedenza, il team dell'Università di Cambridge aveva progettato una serie di biosensori che utilizzano la luce fluorescente per comunicare in tempo reale ciò che sta accadendo a livello cellulare nelle piante, rivelando la dinamica degli ormoni vegetali critici.

Le tecniche per comunicare con le piante

Questi biosensori possono dirci come le piante stanno reagendo agli stress ambientali: le piante "parlano" agli esseri umani. La loro ultima ricerca, pubblicata su PLOS Biology, descrive un nuovo strumento chiamato "Highlighter", che utilizza specifiche condizioni di luce per attivare l'espressione di un gene bersaglio nelle piante, ad esempio per innescare i loro meccanismi di difesa: gli esseri umani "parlano" alle piante.

Il concetto che gli esseri umani possano comunicare con le piante su un livello significativo ha da tempo catturato l'immaginazione delle persone. Se una tale capacità fosse possibile, potrebbe rivoluzionare l'agricoltura e il nostro rapporto con le piante. "Se potessimo avvertire le piante di un imminente scoppio di malattie o di un attacco di parassiti, le piante potrebbero quindi attivare i loro meccanismi di difesa naturali per prevenire danni diffusi", ha detto il dottor Jones.

"Potremmo anche informare le piante sugli eventi meteorologici estremi imminenti, come ondate di calore o siccità, consentendo loro di regolare i loro modelli di crescita o di conservare l'acqua. Ciò potrebbe portare a pratiche agricole più efficienti e sostenibili e ridurre la necessita' di prodotti chimici." Bo Larsen, che ha progettato Highlighter mentre era al SLCU, ci ha portato un passo importante più vicino a questo obiettivo di "parlare" alle piante, ingegnerizzando un sistema di espressione genica controllato dalla luce (sistema optogenetico) da un sistema procariotico a un sistema eucariotico adattato alle piante. L'optogenetica può portare la luce ai processi biomolecolari nelle piante.

L'optogenetica e i suoi vantaggi

Per comprendere l'attività cellulare, i biologi devono essere in grado di controllare i processi biomolecolari a livello cellulare. L'optogenetica è una tecnica scientifica che utilizza uno stimolo luminoso per attivare o disattivare un processo specifico. "Gli stimoli luminosi sono economici, reversibili, non tossici e possono essere erogati con alta risoluzione", ha detto il dottor Jones. Per fare ciò, gli scienziati ingegnerizzano proteine sensibili alla luce (fotorecettori) per controllare un processo target e poi consegnano questi "attuatori" optogenetici alle cellule che desiderano controllare.

Tuttavia, l'optogenetica è stata difficile da applicare alle piante. Ciò è dovuto al fatto che le piante contengono già molti fotorecettori e hanno bisogno di una vasta gamma di luce per crescere. Il passaggio dall'oscurità alla luce attiva anche i fotorecettori nativi delle piante e una miriade di sistemi cellulari. Aggravando questo problema è il fatto che molti dei migliori attuatori optogenetici utilizzano parti genetiche delle piante, il che significa che potrebbero interagire con i fotorecettori nativi se utilizzati nelle piante.

Il dottor Jones, alla ricerca di uno switch di espressione genica optogenetica che potesse essere applicato in condizioni normali di illuminazione orticola senza influire sulla fisiologia e sullo sviluppo delle piante endogene, ha chiesto consiglio a J. Clark Lagarias dell'UC Davis, esperto in fotocromi e cianobatteriocromi. Questo ha suggerito di riadattare il sistema optogenetico procariotico CcaS-CcaR, originariamente derivato da microrganismi fotosintetici e che utilizza il rapporto tra segnali di luce verde (acceso) e luce rossa (spento).

Il controllo sull'immunità delle piante

Modulando lo spettro di luce bianca necessario alle piante per crescere, i geni potrebbero essere attivati o disattivati utilizzando uno stimolo minimamente invasivo. L'attuale sistema Highlighter è inattivo in condizioni di luce blu e attivo al buio e in condizioni di luce bianca, verde e, misteriosamente, rossa.

Sono previsti ulteriori lavori per portare avanti lo sviluppo di Highlighter, ma il team ha già dimostrato il controllo optogenetico sull'immunità delle piante, sulla produzione di pigmenti e su una proteina fluorescente gialla, quest'ultima a risoluzione cellulare. "Highlighter rappresenta un importante passo avanti nello sviluppo di strumenti optogenetici nelle piante e il suo controllo genetico ad alta risoluzione potrebbe essere applicato per studiare un'ampia gamma di questioni fondamentali della biologia vegetale", ha aggiunto il dott. Jones.

"Una serie di strumenti in crescita per le piante, con diverse proprietà ottiche, apre anche interessanti opportunità per il miglioramento delle colture. Ad esempio, in futuro potremmo utilizzare una condizione di luce per innescare una risposta immunitaria, e poi una condizione di luce diversa per cronometrare con precisione un tratto particolare, come la fioritura o la maturazione".