Uno studio ipotizza un percorso di miglioramento genetico che punti a evolvere il sistema stomatico delle colture agricole verso quello delle succulente

Tra i vari tipi di fotosintesi attuata dalle piante quella delle succulente ha sempre attirato molta attenzione per la sua efficienza in condizioni climaticamente ostili.
L’efficienza fotosintetica di queste specie parte da alcune rilevanti caratteristiche, tra cui quella di assorbire l’anidride carbonica di notte (quando le temperature sono più basse), mantenendo gli stomi chiusi invece di giorno quando, il forte irraggiamento solare rischierebbe di causare a queste piante perdite d’acqua maggiori della loro capacità di assorbimento (nei climi in cui queste piante tipicamente crescono).
Con gli accorgimenti adattativi di cui sono dotate le piante succulente riescono ad assorbire l’anidride carbonica necessaria alla fotosintesi in tempi abbastanza rapidi, limitando molto la perdita d’acqua.

Al contrario le piante dei climi temperati mantengono gli stomi aperti di giorno, pur in presenza di alte temperature, poiché la traspirazione consente la traslocazione alle foglie di elementi nutritivi essenziali per una crescita intensa e anche di mantenere bassa la temperatura fogliare: ciò ha un costo in termini di acqua traspirata. Quando l’acqua persa eccede quella assorbita vengono chiusi gli stomi, ma ancora, in minima misura, evapora acqua attraverso la superficie fogliare al suo riscaldarsi: il calore d’evaporazione determina abbassamento termico. In tal modo le piante dei climi temperati mantengono intensa la fotosintesi durante il giorno e quindi un forte accrescimento.

All’aumentare, nei climi “temperati”, delle temperature medie annue e del fabbisogno d’acqua e al diminuire della sua disponibilità, gli adattamenti delle piante succulente suscitano crescente interesse e speranza di poterli trasferire a piante che per secoli furono selezionate solo per produrre.

Seguendo questo percorso di ricerca, un gruppo internazionale di ricercatori dell'Istituto di Scienze Vegetali e del Centro Oeschger per la Ricerca sul Clima dell'Università di Berna, in collaborazione con l'Università di Liverpool, ha utilizzato la succulenta Kalanchoë laxiflora, per dimostrare come queste piante, capaci di risparmiare acqua, formino i loro stomi specializzati. Essi sostengono che gli adattamenti di cui sono dotate queste piante possano essere trasferiti alle normali piante coltivate.

Kalanchoë laxiflora ed altre crassulacee accumulano acqua in grandi cellule delle loro foglie, dei fusti e delle radici e, a differenza della maggior parte delle piante, aprono gli stomi di notte, cioè nel momento in cui le temperature sono più basse e la perdita di acqua minore. La convinzione dei ricercatori parte da alcuni aspetti delle loro scoperte che, essi affermano, essere la base per trasferire alle piante coltivate gli adattamenti alla siccità presenti nelle crassulacee.

Per tale motivo gli autori di questo studio considerano Kalanchoë laxiflora una pianta modello. Come riferisce Xin Cheng, prima autrice dello studio ed ex dottoranda presso l'Istituto di Scienze Vegetali dell'Università di Berna: “Un sistema modello è un organismo esemplare particolarmente ben studiato – nel nostro caso una pianta succulenta – che può essere utilizzato per decifrare meccanismi di base che potrebbero essere trasferiti ad altre piante, come (ad esempio) le coltivazioni”.

Heike Lindner, insieme a Xin Cheng, prima autrice dello studio presso l'Istituto di Scienze Vegetali, aggiunge: "Un aspetto fondamentale della Kalanchoë laxiflora è la sua capacità di formare semi in tempi relativamente brevi. Abbiamo inoltre decodificato le sue informazioni genetiche e sviluppato metodi per manipolare geneticamente la pianta. Questo la rende uno strumento ideale per analizzare in dettaglio lo sviluppo dei meccanismi di risparmio idrico nelle piante succulente".

Normalmente negli studi vegetali la pianta usata come riferimento, cioè la pianta modello, è l’Arabidopsis thaliana, ma essa non è adatta a rappresentare una casistica che accomuna la e altre piante (tra cui gli autori dello studio inseriscono anche le graminacee), che pur essendo molto differenti dalle crassulacee avrebbero con esse analogie negli stomi.

La loro idea parte dall’aver studiato una proteina, denominata “MUTE”, che controlla la differenziazione degli stomi e tale attività varia molto tra Arabidopsis thaliana da un lato e Kalanchoë laxiflora/graminacee dall’altro. In Arabidopsis thaliana, spiega Lindner, “la proteina MUTE garantisce la formazione delle cosiddette cellule di guardia; mentre limita ulteriori divisioni cellulari, dalle quali potrebbero formarsi cellule ausiliarie specializzate”.

Riguardo la proteina MUTE Lindner aggiunge: “Nel nostro modello succulento, basato sulla Kalanchoë laxiflora, la proteina MUTE stimola, invece, ulteriori divisioni cellulari, dalle quali emergono le caratteristiche cellule ausiliarie” - “I nostri risultati indicano che queste cellule ausiliarie sono coinvolte nel trasporto ionico e quindi supportano il movimento delle cellule di guardia e contribuiscono alla regolazione degli scambi gassosi".

Sebbene a differenza delle piante succulente, le graminacee non chiudano gli stomi durante il giorno, come riferisce Lindner, esse risultano comunque ben adattate allo stress idrico. "I nostri risultati dimostrano che lo stesso interruttore genetico MUTE contribuisca alla formazione di cellule ausiliarie sia nelle piante succulente che nelle graminacee – piante evolutivamente distanti e aventi forme di fotosintesi differenti – per aiutare gli stomi a regolare lo scambio gassoso in modo efficiente nell'utilizzo dell'acqua".

I ricercatori interpretano il fatto che MUTE abbia assunto questa nuova funzione nelle piante succulente e nelle graminacee – a differenza dell'Arabidopsis thaliana – come una forte indicazione che tale proteina sia alla base della differenziazione delle forme stomatiche e per conseguenza influisca sull'adattamento a diversi habitat e disponibilità idriche.

Michael Raissig, professore di scienze vegetali all’università di Berna ed anch’egli autore di questa ricerca, aggiunge: "La funzione centrale e sviluppata in modo indipendente, della proteina MUTE la rende un punto di partenza particolarmente promettente per modificare gli stomi delle piante coltivate, aiutandole a resistere allo stress idrico".

"Le scoperte ricavate da Kalanchoë laxiflora hanno un grande potenziale per la pratica agricola, ben oltre la ricerca di base", spiega il professor Raissig.
Gli autori di questo studio pensano in definitiva che, una volta chiariti gli aspetti che intervengono nella succulenza delle piante e quindi nel loro modo di risparmiare acqua, il miglioramento genetico e la selezione potrebbero introdurre o migliorare analoghe caratteristiche nelle piante coltivate.
Questa ricerca è stata sovvenzionata con un “finanziamento iniziale” (Starting Grant) del Fondo Nazionale Svizzero per la Ricerca Scientifica (SNSF) e i risultati sono stati pubblicati sulla rivista Science Advances.