Schema che rappresenta i livelli delle diverse proteine PRR e l'attività della proteina PIF durante il ciclo di 24 ore. Sotto rappresenta come queste proteine influenzano la crescita del Arabidopsis piantina. Credito:Guiomar Martín e Judit Soy
I ricercatori del Center for Research in Agricultural Genomics (CRAG) hanno scoperto che i membri di una famiglia di proteine associate agli orologi interni delle piante agiscono in sequenza per limitare la crescita delle piante fino alla fine della notte. Questo potrebbe aiutare i ricercatori a capire come le piante affrontano diversi tipi di stress che influenzano la loro crescita, come la siccità o le alte temperature.
Il Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina è stato recentemente assegnato a tre ricercatori americani, Sala, Rosbash e Young, per le loro "scoperte di meccanismi molecolari che controllano il ritmo circadiano". Grazie alla loro ricerca, sappiamo che i moscerini della frutta hanno un orologio interno costituito da un insieme di proteine cellulari la cui quantità oscilla in periodi di 24 ore. Queste oscillazioni, che sono mantenuti autonomamente, spiegare come gli organismi viventi adattano il loro ritmo biologico in modo che sia sincronizzato con la rotazione terrestre.
Impianti, come animali, hanno anche un orologio interno. Infatti, le prime ipotesi sull'esistenza di un orologio circadiano negli organismi viventi sono venute con l'osservazione dei movimenti delle foglie e dei fiori nelle piante. Per esempio, le foglie delle piante di mimosa si chiudono di notte e si aprono di giorno. Nel 1729, l'astronomo francese Jean Jacques d'Ortous de Mairan mise al buio una pianta di mimosa e osservò che, nonostante l'assenza dello stimolo luminoso, le foglie ancora si aprivano e si chiudevano ritmicamente al momento opportuno della giornata.
I biologi molecolari di oggi sanno che i fusti di Arabidopsis thaliana si allungano poco prima dell'alba quando le giornate sono brevi (inverno). Studi degli ultimi anni hanno dimostrato che questo allungamento del fusto nelle giovani piantine è controllato dalle proteine PIF, il cui accumulo cellulare dipende dalla luce solare. Così, la luce favorisce la degradazione delle proteine PIF durante il giorno. Di notte, però, Le proteine PIF si accumulano all'interno della cellula, e poco prima dell'alba, promuovere la crescita del fusto delle piante. Ma perché il giovane stelo cresce solo prima dell'alba e non per tutta la notte?
La risposta a questa domanda è arrivata con un lavoro pubblicato nel 2016 dal gruppo di ricerca di Elena Monte. Quello studio ha scoperto che una proteina dell'orologio interno (TOC1 o PRR1) funge da porta durante la notte, permettendo al PIF di agire solo a fine notte. Ora, un nuovo studio dello stesso gruppo di ricerca CRAG, pubblicato questa settimana sulla rivista Biologia attuale , amplia questi risultati. Elena Monte, insieme al suo team e ai suoi collaboratori, hanno scoperto che altri componenti della stessa famiglia di proteine dell'orologio interno, il PRR, agire in sequenza durante il giorno e la maggior parte della notte per sopprimere l'azione delle proteine PIF.
Arabidopsis thaliana piantine. La piantina a sinistra è di tipo selvatico e quella a destra ha una mutazione nel gene CDF5 che produce costitutivamente la proteina, e di conseguenza si allunga. Attestazione:Guiomar Martín
La quantità delle diverse proteine PRR (PRR1, PRR5, PRR7 e PRR9) oscilla in sequenza in periodi di 24 ore. Alla fine della notte, la quantità totale di proteine PRR nella cellula raggiunge il minimo, permettendo l'azione delle proteine PIF, quale, per l'assenza di luce, sono al culmine della massima concentrazione. Così, sebbene alcune proteine PIF vengano rilevate durante le ore diurne, non possono favorire l'estensione del fusto fino alla fine della notte, quando il cancello si apre, coincidente con le condizioni di umidità ottimali per l'allungamento.
"I nostri risultati mostrano che la regolazione della crescita delle piante si è evoluta nelle piante per comprendere l'azione sequenziale orchestrata dei PRR. Ciò dimostra il duplice ruolo dei PRR:come regolatori dei componenti dell'orologio centrale e come repressori fisiologici della crescita, “ spiega Elena Monte. “Grazie a questo studio, abbiamo appreso come l'orologio circadiano delle piante influisca sulla crescita delle piante, che è un processo importante a livello agronomico, " aggiunge Guiomar Martín, il primo autore dell'opera, che è attualmente al Gulbenkian Institute of Science (Portogallo).
CDF5:un nuovo gene chiave per la crescita dello stelo
Nel lavoro pubblicato questa settimana in Biologia attuale , gli autori hanno effettuato un'analisi esaustiva delle interazioni tra le proteine e il DNA della pianta di Arabidopsis thaliana. Questa analisi ha rivelato che il gene CDF5 induce la crescita dello stelo poco prima dell'alba. I ricercatori hanno dimostrato che l'espressione del gene CDF5 è strettamente regolata dall'unione di proteine PIF (che ne promuovono l'espressione) e di proteine orologio PRR (che ne impediscono l'espressione). In questo modo, CDF5 si accumula specificamente durante la fase pre-alba, quando induce l'allungamento cellulare e, di conseguenza, l'estensione dello stelo.
Per verificare la funzione di questi geni e proteine, i ricercatori hanno osservato la crescita di piante di arabidopsis portatrici di mutazioni in questi geni. Le piante che avevano perso uno dei geni della famiglia PRR (PRR7) sono cresciute più a lungo delle loro controparti di tipo selvatico. Lo stesso è accaduto nelle piante in cui i ricercatori hanno modificato il gene CDF5 in modo che potesse essere espresso durante le 24 ore, indipendentemente dalle azioni PIF e PRR.
