Uno studio condotto dai ricercatori del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) ha scoperto che due enzimi chiave nelle piante chiamati PAH1 e PAH2 sono fondamentali per la sopravvivenza e la crescita in condizioni di carenza di azoto. Lo studio getta nuova luce su come le piante potrebbero essere modificate in futuro per aumentare la tolleranza agli ambienti poveri di nutrienti.

Il modo in cui le piante tollerano la fame di azoto è un mistero di vecchia data. L'azoto è vitale per la produzione di aminoacidi, gli elementi costitutivi delle proteine ​​vegetali, e molti altri componenti necessari per sostenere la vita. I ricercatori in Giappone hanno ora scoperto che due enzimi coinvolti nella biosintesi dei lipidi chiamati PAH1 e PAH2 sono essenziali per la crescita delle piante durante la carenza di azoto. La scoperta avanza la conoscenza fondamentale dei processi che regolano la crescita delle piante.

Pubblicato in Frontiere nella scienza delle piante , la ricerca è stata il risultato della collaborazione tra scienziati della Tokyo Tech, l'Università di Tokyo e l'Università di farmacia e scienze della vita di Tokyo.

Studiando una piccola pianta da fiore chiamata Arabidopsis thaliana, il team ha dimostrato che spegnendo due geni, IPA1 e IPA2, (in un processo noto come double knockout) ha portato ad una maggiore sensibilità alla carenza di azoto. Arabidopsis è una scelta popolare tra i biologi vegetali grazie al suo ciclo di vita relativamente breve (di circa due mesi) e alle piccole dimensioni del genoma (di circa 135 coppie di megabasi), rendendolo ideale per l'uso come specie modello.

Il team ha confrontato il contenuto di clorofilla e l'attività fotosintetica delle piante a doppio knockout, piante transgeniche che erano state modificate per produrre più (o sovraesprimere) PAH1 e PAH2, e piante spontanee. Si è scoperto che le piante a doppio knockout hanno un contenuto di clorofilla inferiore rispetto al tipo selvatico in condizioni di impoverimento dell'azoto. Sorprendentemente, il team ha scoperto che le piante transgeniche mostravano una maggiore quantità di clorofilla e una maggiore attività fotosintetica rispetto alle piante selvatiche sotto carenza di azoto (vedi Figura 1).

Mie Shimojima della School of Life Science and Technology, Tecnologia di Tokyo, afferma che lo studio si basa su circa 20 anni di lavoro condotto dal suo gruppo di ricerca sul rimodellamento dei lipidi di membrana in condizioni di deplezione di fosfato inorganico (Pi).

"Quando le piante soffrono la fame di Pi, i fosfolipidi nelle membrane cellulari vengono degradati e sostituiti con glicolipidi, o lipidi contenenti zucchero; è così che le piante sopravvivono alla carenza di Pi, " dice Shimojima. "Nel 2009, i nostri colleghi Yuki Nakamura e altri hanno dimostrato che PAH1 e PAH2 sono cruciali per la crescita delle piante in condizioni di deplezione di Pi".

Prove crescenti negli ultimi anni hanno suggerito che la risposta delle piante alla fame di Pi e alla fame di azoto potrebbe essere correlata. "Ecco perché abbiamo analizzato la tolleranza alla fame di azoto nella pianta di Arabidopsis priva di PAH1 e PAH2, " dice Shimojima. "Il nostro studio rafforza l'idea che il meccanismo di rimodellamento dei lipidi indotto dalla fame di Pi sia anche coinvolto nella risposta alla fame di azoto".

"Tutti i nostri risultati finora indicano che la PAH1 è coinvolta in qualche tipo di processo di riparazione o manutenzione delle strutture delle membrane dei cloroplasti, " continua. "Tuttavia, poiché la PAH è un enzima citosolico, potrebbero esserci altre proteine ​​essenziali coinvolte in questo meccanismo all'interno della membrana".

Saranno necessari ulteriori studi per svelare i meccanismi molecolari alla base della tolleranza alla fame di azoto e per esplorare come questa conoscenza possa essere utilizzata nelle applicazioni agricole e biotecnologiche.