Per decenni gli scienziati sono rimasti perplessi di fronte ai segnali che le piante inviano per avviare la fotosintesi, il processo di trasformazione della luce solare in sostanze organiche – principalmente carboidrati (zuccheri). I ricercatori dell’University of California Riverside hanno ora decodificato questi segnali finora difficili da comprendere.
Da mezzo secolo i botanici sanno che il centro di comando di una cellula vegetale, il nucleo, invia istruzioni alle altre parti della cellula, obbligandole a procedere con la fotosintesi. Queste istruzioni si presentano sotto forma di proteine, senza le quali le piante non diventano verdi e non crescono. “La nostra sfida era che il nucleo codifica centinaia di proteine che contengono i mattoni per gli organelli più piccoli. Determinare quali sono i segnali per innescare la fotosintesi è stato come trovare aghi in un pagliaio”, ha detto il professore di botanica dell’UCR Meng Chen. Il processo utilizzato dagli scienziati del laboratorio di Chen per trovare quattro di queste proteine è ora documentato in un articolo di Nature Communications.
In precedenza, il team di Chen aveva dimostrato che alcune proteine nei nuclei delle piante vengono attivate dalla luce, dando il via alla fotosintesi. Le quattro proteine appena identificate fanno parte di questa reazione, inviando un segnale che trasforma i piccoli organi in cloroplasti, che generano zuccheri che alimentano la crescita. Chen paragona l’intero processo di fotosintesi a una sinfonia. “I conduttori della sinfonia sono proteine nel nucleo chiamate fotorecettori che rispondono alla luce. In questo lavoro abbiamo dimostrato che i fotorecettori sensibili alla luce rossa e blu danno inizio alla sinfonia. Attivano i geni che codificano gli elementi costitutivi della fotosintesi”. La situazione unica, in questo caso, è che la sinfonia viene eseguita in due “stanze” della cellula, da musicisti locali (nucleo) e remoti. I direttori d’orchestra (fotorecettori), presenti solo nel nucleo, devono inviare ai musicisti remoti alcuni messaggi a distanza. Quest’ultimo passaggio è controllato dalle quattro proteine recentemente scoperte che viaggiano dal nucleo ai cloroplasti.
Le analogie con le cellule umane
Questo lavoro è stato finanziato dal National Institutes of Health, nella speranza che possa aiutare a trovare una cura per il cancro. Questa speranza si basa sulle analogie tra i cloroplasti delle cellule vegetali e i mitocondri delle cellule umane. Entrambi gli organelli generano carburante per la crescita ed entrambi ospitano materiale genetico. Attualmente, molte ricerche descrivono la comunicazione dagli organelli al nucleo. Se qualcosa non va negli organelli, questi inviano segnali al “quartier generale” del nucleo. Molto meno si sa dei segnali di regolazione dell’attività inviati dal nucleo agli organelli.
“Il nucleo potrebbe controllare l’espressione dei geni mitocondriali e dei cloroplasti in modo simile”, ha detto Chen. “Quindi, i principi che apprendiamo dalla via di comunicazione tra nucleo e cloroplasti potrebbero favorire la nostra comprensione di come il nucleo regola i geni mitocondriali e la loro disfunzione nel cancro”, ha detto Chen. L’importanza di capire come viene controllata la fotosintesi ha applicazioni che vanno oltre la ricerca sulle malattie. Gli insediamenti umani su un altro pianeta richiederebbero probabilmente un’agricoltura indoor e la creazione di uno schema di illuminazione per aumentare i rendimenti in quell’ambiente. Ancora più immediatamente, il cambiamento climatico sta ponendo delle sfide ai coltivatori del pianeta terra. “Il motivo per cui possiamo sopravvivere su questo pianeta è che organismi come le piante possono fare la fotosintesi. Senza di loro non ci sarebbero animali, compresi gli esseri umani”, ha detto Chen. “La piena comprensione e la capacità di manipolare la crescita delle piante sono fondamentali per la sicurezza alimentare”.