Identificate proteine che attivano il processo di apertura degli stomi fogliari, al mattino

Già in precedenti articoli pubblicati su questo sito erano state descritte ulteriori ricerche inerenti il funzionamento e quindi l’apertura/chiusura degli stomi fogliari, i quali hanno una funzione chiave di regolazione di importanti processi fisiologici: la fotosintesi, la respirazione, il trasporto di sostanze dalle radici alle foglie.

Era noto, già da tempo, il meccanismo attraverso cui le cellule stomatiche (due cellule ‘di guardia’, poste ai margini di ciascuno stoma) si rigonfiano di acqua per potersi aprire: l’acqua viene richiamata in seguito a un abbassamento locale del potenziale osmotico, prodotto dall’introduzione di ioni potassio. Il rigonfiamento delle cellule di guardia provoca l’apertura verso l’esterno, poiché la loro parete esterna è sclerificata e quindi rigida.
Con l’apertura degli stomi si determina quindi la formazione di un poro tra le due cellule, la cui dimensione dipende dall’entità del rigonfiamento o restringimento delle cellule. La pianta può quindi iniziare ad assorbire anidride carbonica, necessaria alla fotosintesi, che produce carboidrati e rilascia ossigeno.

L’apertura degli stomi si determina per interazione di diversi fattori esterni e principalmente per effetto della percezione della luce diurna, la cui presenza viene comunicata dalla produzione di un segnale chimico. La chiusura degli stomi è invece più probabilmente provocata a fine giornata, al buio, dallo sgonfiamento delle cellule di guardia, dopo perdita d’acqua (stress idrico) indotta dal riscaldamento della lamina fogliare, sotto l’azione della radiazione solare.

La ricerca, di cui di seguito si riferisce, è quindi solo una delle tante condotte sullo stesso argomento, che hanno permesso di comprendere gradualmente vari aspetti del processo fisiologico e biochimico. Ad esempio in un precedente articolo pubblicato su Agrolinker nel 2017 si segnalava che un gruppo di ricerca australiano aveva scoperto che, in presenza di siccità, la regolazione della chiusura degli stomi è attivata da un segnale prodotto dai cloroplasti. I ricercatori segnalarono, quindi, di ritenere che interferendo con tale segnale, si sarebbe potuto arrivare a ottenere una maggiore resistenza delle piante ai climi siccitosi.

Gli studi che interessano gli stomi hanno più o meno tutti l’obiettivo di arrivare a ridurre la traspirazione e quindi la perdita di acqua, che è il principale fattore limitante lo svolgimento della fotosintesi: quando le piante sono in condizioni di stress idrico, le foglie chiudono gli stomi, per non perdere acqua e quindi smettono di assorbire anidride carbonica necessaria alla fotosintesi.

Le possibili soluzioni di volta in volta prospettate intervengono a differenti livelli del meccanismo di traspirazione, attraverso gli stomi. Ad esempio, precedenti studi avevano evidenziato che riducendo il numero degli stomi sarebbe stato possibile ridurre la traspirazione di acqua, senza incidere negativamente sulla fotosintesi.

I ricercatori che portano avanti studi centrati sulla comprensione del meccanismo fisiologico di apertura/chiusura degli stomi puntano anche essi a ottenere piante aventi maggiore resistenza alla siccità, ma per conseguire tale risultato cercano di arrivare alla completa comprensione della sequenza di reazioni biochimiche, che sottendono l’apertura degli stomi, con l’obiettivo di creare nuove varietà mutanti, portatrici di modifiche di tali meccanismi (inducibili in varia maniera), che determinino una migliore regolazione degli stomi e quindi una minore perdita d’acqua.

Uno studio di quest’ultimo tipo è stato condotto da un gruppo di ricercatori, guidato da Elena Monte del CSIC, presso il Centro di Ricerca genomica della Catalogna (CRAG; Spagna) utilizzando la pianta modello Arabidopsis thaliana.
Come viene riferito, utilizzando metodi di biologia molecolare e analisi bioinformatiche è stato decifrato il meccanismo molecolare, che regola i movimenti ritmici degli stomi durante la giornata. Ne è derivato un articolo pubblicato su Nature Communications.

Inseguendo la completa comprensione del meccanismo di apertura degli stomi è emerso che le proteine PIF interagiscono con i geni codificanti le proteine di membrana KAT1.
Le proteine PIF sono fattori di trascrizione che interagiscono col fitocromo, cioè col meccanismo di segnalazione luce/buio, che indica a differenti processi fisiologici (tra cui quello di apertura degli stomi) il tipo di radiazione solare disponibile in momenti differenti della giornata, o dell’anno, trasmettendo, in tal modo, una percezione temporale: ad esempio ‘notte’ (totale assenza di luce).

L’interazione delle proteine PIF, che si accumulano nella pianta durante la notte, con i geni codificanti le proteine di membrana KAT1 determina, al termine della notte, la loro trascrizione al sopraggiungere del mattino. Le proteine KAT1 controllano il canale del potassio (K+) e determinano, in tal modo, l’assorbimento di potassio nei vacuoli delle cellule di guardia, che gradualmente richiamano acqua, per compensare l’abbassamento del potenziale osmotico, e si gonfiano, facendo gonfiare le cellule in modo non omogeneo, poiché esse sono sclerificate verso l’esterno. Quindi ciascuna delle due cellule di guardia si sposta superiormente all’indietro, in corrispondenza del margine posto in continuità con la lamina fogliare, determinando il formarsi di un poro (lo stoma) che si apre nel punto di contatto tra le due cellule.

--In questa interazione tra la funzione PIF (fitocromo, ovvero sensibilità della pianta alla luce) e la proteina KAT1, un ruolo rilevante lo ha anche l’acido abscissico, che è necessario, durante la notte, per mantenere gli stomi chiusi, mentre al mattino è necessaria una sua riduzione, per consentire l'apertura degli stomi, indotta dalla luce e regolata dal PIF.

I ricercatori che hanno compiuto questo studio chiariscono che, sebbene fosse già noto che gli stomi avessero movimenti ritmici e le proteine ​​responsabili della regolazione dell’apertura-chiusura fossero già note, questa è la prima volta che risulta chiarito il meccanismo trascrizionale che regola l'apertura degli stomi durante il giorno e la notte.

Tale complessiva scoperta apre la possibilità a nuove strade di ricerca e possibili approcci biotecnologici, al miglioramento genetico, in vista dell’ottenimento di varietà di piante agrarie aventi maggiore resistenza alla siccità.