I cloroplasti hanno un ruolo nell’immunità della pianta alle malattie batteriche e virali

I cloroplasti sono parte del raggruppamento più esteso dei plastidi, organuli interni al citoplasma della cellula vegetale, che comprendono anche i cromoplasti (privi di funzione fotosintetica e ricchi di carotenoidi), i leucoplasti (privi di funzione fotosintetica, presenti negli organi di accumulo; tra cui gli amiloplasti), gli ezioplasti (cloroplasti eziolati, cioè cresciuti al buio) e i proplastidi (che rappresentano i primi abbozzi di plastidio)

I cloroplasti, plastidi deputati alla funzione fotosintetica, sono organuli di forma arrotondata, dotati di membrana esterna e al cui interno vi sono varie strutture, tra cui lo stroma, nel quale sono immerse le componenti strutturali interne dei cloroplasti o tilacoidi (tilacoidi del grana e tilacoidi intergrana/lamella stromatica). Nello stroma ci sono anche dei ribosomi e dei filamenti di DNA.

Non tutti i cloroplasti sono però di forma arrotondata: una ridotta percentuale di essi, denominati stromuli, modifica continuamente la propria forma assumendone una tubulare, che è stata studiata recentemente presso l’università di Davis (California). La funzione degli stromuli è rimasta a lungo incognita, sebbene più recenti acquisizioni di ricerca avevano portato a definire che i cloroplasti producono più stromuli quando la pianta identifica un’infezione. Inoltre gli stromuli aiutano i cloroplasti ad impilarsi in prossimità del nucleo e funzionano da veicolo di un segnale difensivo dai cloroplasti verso il nucleo.

Nello studio condotto presso l’università di Davis il professor Savithramma Dinesh-Kumar, direttore del Dipartimento di Biologia vegetale, Nathan Meier e altri laureandi specialistici, che conducevano lo studio sugli stromuli, partivano dall’iniziale difficoltà di non poter verificare direttamente la loro funzione, secondo un’abituale percorso di ricerca che punta all’inattivazione dei geni che regolano la sintesi di proteine strutturali o enzimatiche, per poi verificare l’effetto di tale inattivazione: non essendo noto alcun gene coinvolto nella formazione degli stromuli o nel loro funzionamento, non era possibile verificare direttamente come, piante mutanti, prive di stromuli, si sarebbero comportate di fronte a un’infezione.

Considerando, però, che gli stromuli attivavano il movimento dei cloroplasti in direzione del nucleo, i ricercatori hanno rivolto la loro attenzione alle kinesine, un gruppo di proteine che attivano il movimento di molecole ed organelli intorno alla cellula. Essi hanno quindi studiato il meccanismo di funzionamento delle kinesine e il movimento da esse attivato: esso coinvolge di solito anche il citoscheletro, una rete di proteine e filamenti interno al citoplasma cellulare, costituito di lunghi microtubuli e filamenti di actina (più piccoli).
Per questo motivo è stata poi accentrata l’attenzione su una kinesina che è in grado di collegarsi a entrambe le due dette componenti del citoscheletro: la KIS1. Una sovra-espressione del gene (KIS1), che ne controlla la sintesi, causa la formazione di stromuli, anche in assenza d’infezione.

I ricercatori hanno quindi manipolato il genotipo di alcune piante di tabacco e di Arabidopsis thaliana - piante modello, spesso usate per esperimenti poiché hanno caratteristiche comuni a molte altre piante - facendo in modo che tali piante non potessero produrre la kinesina ‘KIS1’.
Hanno quindi riscontrato che le piante modificate non erano in grado di formare stromuli e, contemporaneamente, i loro cloroplasti non migravano verso il nucleo. Come conseguenza di tali modifiche le piante neanche risultavano in grado di difendersi da organismi fitopatogeni.

Si evidenziava quindi per la prima volta un collegamento tra una kinesina vegetale e la difesa immunitaria delle piante e contemporaneamente il coinvolgimento del gene per la sintesi della kinesina ‘KIS1’ nella produzione degli stromuli dei cloroplasti.

Restava, alla fine, da capire che ruolo avessero le dette componenti del citoscheletro (microtubuli e actina) nella formazione degli stromuli e nella migrazione dei cloroplasti verso il nucleo, in presenza di un infezione.

I ricercatori hanno quindi ottenuto due mutanti, in ciascuno dei quali la kinesina KIS1 era in grado di legare solo a una delle due componenti del citoscheletro, coinvolte nella migrazione dei cloroplasti verso il nucleo, in presenza dell’infezione.
Erano cioè ottenuti due gruppi di piante, in uno dei quali la kinesina KIS1 si legava solo all’actina, mentre nell’altro essa si legava solo ai microtubuli. L’espressione fenotipica di queste due varianti ha quindi permesso di capire che, affinché i cloroplasti formassero gli stromuli, era necessario che la kinesina KIS1 si legasse ai microtubuli, mentre, affinché i cloroplasti si muovessero verso il nucleo, la stessa proteina doveva anche legarsi all’actina, ovvero entrambe le componenti del ‘citoscheletro’ erano indispensabili per il processo di spostamento dei cloroplasti verso il nucleo, promosso dagli stromuli in presenza di un’infezione.

I ricercatori hanno infine scoperto che la formazione degli stromuli è attivata da un segnale molecolare, che per verificarsi è necessario sia presente un sistema di segnalazione immunitario intatto. In tal senso il professor Dinesh-Kumar ha precisato: ‘Se noi rimuoviamo uno qualunque dei geni conosciuti per effettuare la segnalazione immunitaria, i cloroplasti perdono la capacità di formare stromuli; ciò suggerisce che queste strutture siano parte integrante dei percorsi (chimici) di segnalazione immunitaria che attivano le difese’.

Una volta aperta una strada alla conoscenza dei meccanismi in grado d’influire sul sistema immunitario delle piante si aprono per conseguenza una serie di possibilità nella genetica delle piante coltivate, come anche segnalato da Dinesh Kumar: ‘Se riuscissimo a comprendere meglio a livello cellulare come organelli come i cloroplasti aiutano le cellule a difendersi, potremmo contribuire a progettare la resistenza all’agente patogeno’.

La loro scoperta è stata pubblicata nel numero di ottobre di Science Advances.
Lo studio è stato finanziato dal National Institutes of Health e dall’USDA National Institute of Food and Agriculture. Altri autori includono Kody Seward e Jeffrey Caplan del Delaware Biotechnology Institute e dell'Università del Delaware.