Mais e strigolattoni: il ruolo del gene ZmWBC33

 Gli strigolattoni (SLs) sono un gruppo di metaboliti secondari delle piante derivanti dai carotenoidi caratterizzati dall'avere una duplice funzione. Da un lato agiscono come molecole di segnalazione esterna essudate dalle radici in grado di stimolare la germinazione delle piante parassite e di favorire la simbiosi mutualistica con i funghi micorrizici arbuscolari. Dall'altro agiscono come fitormoni, coinvolti in molteplici aspetti dello sviluppo delle piante, interagendo in modo sinergico o antagonistico con altri ormoni, in risposta alla disponibilità di fosforo e azoto nel suolo.

Molti progressi sono stati compiuti relativamente alla comprensione dei processi di biosintesi e di segnalazione di questa classe di ormoni. Tuttavia, sono ancora limitate le conoscenze sulla loro distribuzione all'interno delle piante, sul trasporto dalla radice al suolo, nonché sulla regolazione dei processi di biosintesi in funzione della disponibilità di nutrienti nel suolo ⁽¹⁾. Ad oggi, è stato identificato solamente il trasportatore PDR1 in Petunia axillaris ⁽²⁾, e l'ortologo putativo PDR6 in Nicotiana tabacum ⁽³⁾.

I metodi più promettenti per l'impiego degli SLs in agricoltura includono applicazioni esogene per indurre la germinazione suicida delle piante parassite e per promuovere la colonizzazione dell'apparato radicale da parte di organismi simbionti ⁽⁴⁾. Da un'altra prospettiva, la comprensione dei processi biologici in cui gli SLs sono coinvolti può contribuire, attraverso approcci di ingegneria genetica, allo sviluppo di nuovi genotipi caratterizzati da una maggiore tolleranza a stress abiotici, quali siccità e carenza di nutrienti. 

In questo contesto, il gruppo di ricerca in fisiologia vegetale della professoressa Silvia Quaggiotti dell'Università di Padova si occupa di comprendere le vie metaboliche che regolano le risposte fisiologiche e molecolari delle piante di mais nella rilevazione e segnalazione delle variazioni nella disponibilità di azoto, al fine di riconoscere componenti specifici chiave in grado di influenzare lo sviluppo e la fisiologia sia delle radici che dell'intera pianta. 

Tra questi, è stato ipotizzato che il gene ZmWBC33 svolga un ruolo significativo in risposta alla disponibilità di azoto e fosforo, codificando per un trasportatore degli SLs. Infatti, la regolazione dell'espressione di ZmWBC33 in funzione della disponibilità dei nutrienti, unita alla co-localizzazione dei suoi trascritti con quelli del gene ZmCCD8, coinvolto nel processo di biosintesi degli SLs, supportano questa ipotesi perché coerenti con quanto descritto in letteratura per il già noto trasportatore PDR1 ⁽⁵⁾.  

Il lavoro di tesi aveva lo scopo di contribuire alla comprensione del ruolo di ZmWBC33, con un approccio innovativo rispetto a quanto svolto nelle ricerche precedenti. Sono state condotte analisi preliminari su alcune linee transgeniche di Arabidopsis, in cui il gene ZmWBC33 era stato espresso sia con che senza l'integrazione della proteina verde fluorescente (Gfp). Questa integrazione ha permesso di visualizzare il segnale di fluorescenza a livello delle membrane plasmatiche, indicando così una localizzazione compatibile con la funzione di trasportatore. In parallelo è stato messo a punto di un sistema di crescita idroponica per piante di Arabidopsis al fine di raccogliere gli essudati radicali da impiegare per l'identificazione ed eventualmente quantificazione degli SLs.
Le piante sono state fatte crescere per circa quattro settimane in una soluzione nutritiva completa, successivamente sottoposte a differenti stress nutrizionali e infine trasferite in una nuova soluzione di essudazione da cui dopo sei ore sono stati raccolti gli essudati. Tali essudati, ottenuti quindi da piante pre trattate con diversi stress nutrizionali, sono stati impiegati in un saggio di germinazione della pianta parassita Phelipanche ramosa per stabilire in modo indiretto il contenuto di SLs, utilizzando acqua e lo SL sintetico GR24 rispettivamente come controllo negativo e positivo.

Attraverso questo test è stato osservato che le piante tendono ad essudare più SLs nei primi tre giorni di stress, rispetto a un periodo prolungato di sette giorni, senza però mostrare differenze significative tra le condizioni di carenza nutrizionale di azoto o fosforo. La messa a punto di questo test sarà molto utile per caratterizzare la presenza di SLs negli essudati delle piante transgeniche che esprimono il gene di mais ZmWBC33, per confrontare la loro risposta con quella delle piante di controllo e quindi per  chiarire la funzione di questa proteina.  

L'identificazione di un nuovo trasportatore degli SLs in una specie di primaria importanza come il mais potrebbe aprire nuove frontiere per l'utilizzo degli SLs, nell'ottica di un agricoltura più sostenibile e capace di far fronte ai cambiamenti ambientali che caratterizzano il periodo che stiamo affrontando.

Tommaso Sanson, categoria "Innovazione varietale e genomica"

(Fonte: Tommaso Sanson)

Per eventuali contatti sanson.tommaso@gmail.com

Bibliografia

⁽¹⁾ L. Borghi, G.-W. Liu, A. Emonet, T. Kretzschmar, e E. Martinoia, «The importance of strigolactone transport regulation for symbiotic signaling and shoot branching», Planta, vol. 243, fasc. 6, pp. 1351–1360, giu. 2016, doi: 10.1007/s00425-016-2503-9. 

⁽²⁾ T. Kretzschmar et al., «A petunia ABC protein controls strigolactone-dependent symbiotic signalling and branching», Nature, vol. 483, fasc. 7389, pp. 341–344, mar. 2012, doi: 10.1038/nature10873. 

⁽³⁾ X. Xie et al., «Cloning and characterization of a novel Nicotiana tabacum ABC transporter involved in shoot branching», Physiol Plantarum, vol. 153, fasc. 2, pp. 299–306, feb. 2015, doi: 10.1111/ppl.12267. 

⁽⁴⁾ V. Dell'Oste, F. Spyrakis, e C. Prandi, «Strigolactones, from Plants to Human Health: Achievements and Challenges», Molecules, vol. 26, fasc. 15, p. 4579, lug. 2021, doi: 10.3390/molecules26154579. 

⁽⁵⁾ L. Ravazzolo, S. Trevisan, A. Manoli, S. Boutet-Mercey, F. Perreau, e S. Quaggiotti, «The Control of Zealactone Biosynthesis and Exudation is Involved in the Response to Nitrogen in Maize Root», Plant and Cell Physiology, vol. 60, fasc. 9, pp. 2100–2112, set. 2019, doi: 10.1093/pcp/pcz108.

A cura di Tommaso Sanson

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