"Le piante, siano esse enormi o microscopiche, sono la base di tutta la vita, compreso noi stessi". Questa è stata l'introduzione di David Attenborough a The Green Planet, l'ultima serie di storia naturale della BBC.

Negli ultimi 500 milioni di anni, le piante si sono intrecciate in ogni aspetto della nostra vita. Le piante supportano tutte le altre forme di vita sulla Terra oggi. Forniscono l'ossigeno che le persone respirano, oltre a pulire l'aria e raffreddare la temperatura terrestre. Ma senza acqua, le piante non sopravviverebbero. Originariamente trovato negli ambienti acquatici, si stima che ci siano circa 500.000 specie di piante terrestri emerse da un singolo antenato che galleggiava nell'acqua.

Nel nostro recente articolo, pubblicato su New Phytologist , indaghiamo, a livello genetico, come le piante hanno imparato a usare e manipolare l'acqua, dalle prime minuscole piante simili a muschi a vivere sulla terra nel periodo Cambriano (circa 500 milioni di anni fa) fino agli alberi giganti che formano foreste complesse ecosistemi di oggi.

Come si sono evolute le piante

Confrontando più di 500 genomi (il DNA di un organismo), i nostri risultati mostrano che diverse parti dell'anatomia vegetale coinvolte nel trasporto dell'acqua - pori (stomi), tessuto vascolare, radici - erano collegate a diversi metodi di evoluzione genica. Questo è importante perché ci dice come e perché le piante si sono evolute in momenti distinti della loro storia.

Il rapporto delle piante con l'acqua è cambiato radicalmente negli ultimi 500 milioni di anni. Gli antenati delle piante terrestri avevano una capacità molto limitata di regolare l'acqua, ma i discendenti delle piante terrestri si sono adattati a vivere in ambienti più asciutti. Quando le piante colonizzarono per la prima volta la terra, avevano bisogno di un nuovo modo per accedere ai nutrienti e all'acqua senza essere immersi in essa. La sfida successiva è stata quella di aumentare le dimensioni e la statura. Alla fine, le piante si sono evolute per vivere in ambienti aridi come i deserti. L'evoluzione di questi geni è stata fondamentale per consentire alle piante di sopravvivere, ma come hanno aiutato le piante prima ad adattarsi e poi a prosperare sulla terraferma?

Gli stomi, i minuscoli pori sulla superficie delle foglie e degli steli, si aprono per consentire l'assorbimento di anidride carbonica e si chiudono per ridurre al minimo la perdita d'acqua. Il nostro studio ha scoperto che i geni coinvolti nello sviluppo degli stomi erano nelle prime piante terrestri. Ciò indica che le prime piante terrestri avevano gli strumenti genetici per costruire stomi, un adattamento chiave per la vita sulla terra.

La velocità con cui gli stomi rispondono varia tra le specie. Ad esempio, gli stomi di una margherita si chiudono più rapidamente di quelli di una felce. Il nostro studio suggerisce che gli stomi delle prime piante terrestri si siano chiusi, ma questa capacità è accelerata nel tempo grazie alla duplicazione genica durante la riproduzione delle specie. La duplicazione genica porta a due copie di un gene, consentendo a una di queste di svolgere la sua funzione originale e all'altra di evolvere una nuova funzione. Con questi nuovi geni, gli stomi delle piante che crescono dai semi (piuttosto che si riproducono tramite spore) sono stati in grado di chiudersi e aprirsi più velocemente, consentendo loro di essere più adattabili alle condizioni ambientali.

Vecchi geni e nuovi trucchi

Il tessuto vascolare è il sistema idraulico di una pianta, che le consente di trasportare l'acqua all'interno e di crescere in dimensioni e statura. Se hai mai visto gli anelli di un albero tagliato, questi sono i resti della crescita del tessuto vascolare.

Abbiamo scoperto che, piuttosto che evolversi da nuovi geni, il tessuto vascolare è emerso attraverso un processo di modifica genetica. Qui, i vecchi geni sono stati riutilizzati per acquisire nuove funzioni. Questo dimostra che l'evoluzione non avviene sempre con nuovi geni, ma che i vecchi geni possono imparare nuovi trucchi.

Prima del trasferimento a terra, sono state trovate piante in habitat di acqua dolce e marini, come il gruppo algale Spirogyra . Galleggiavano e assorbivano l'acqua intorno a loro. L'evoluzione delle radici ha consentito alle piante di accedere all'acqua da una profondità del terreno oltre a fornire l'ancoraggio. Abbiamo scoperto che alcuni nuovi geni chiave sono emersi negli antenati di piante che vivono sulla terra e piante con semi, corrispondenti allo sviluppo di peli e radici. Ciò dimostra l'importanza di un apparato radicale complesso, che consente alle piante antiche di accedere ad acqua prima non disponibile.

Lo sviluppo di queste caratteristiche ad ogni passo importante nella storia delle piante mette in evidenza l'importanza dell'acqua come motore dell'evoluzione delle piante. Le nostre analisi gettano nuova luce sulle basi genetiche dell'inverdimento del pianeta, mettendo in evidenza i diversi metodi di evoluzione genica nella diversificazione del regno vegetale.

Piantare per il futuro

Oltre ad aiutarci a dare un senso al passato, questo lavoro è importante per il futuro. Comprendendo come si sono evolute le piante, possiamo iniziare a capire i fattori limitanti per la loro crescita. Se i ricercatori riescono a identificare la funzione di questi geni chiave, possono iniziare a migliorare l'uso dell'acqua e la resilienza alla siccità nelle specie coltivate. Ciò ha un'importanza particolare per la sicurezza alimentare.

Le piante possono anche essere la chiave per risolvere alcune delle questioni più urgenti che l'umanità deve affrontare, come ridurre la nostra dipendenza dai fertilizzanti chimici, migliorare la sostenibilità del nostro cibo e ridurre le nostre emissioni di gas serra.

Identificando i meccanismi che controllano la crescita delle piante, i ricercatori possono iniziare a sviluppare specie di colture più resilienti ed efficienti. Queste colture richiederebbero meno spazio, acqua e sostanze nutritive e sarebbero più sostenibili e affidabili. Con la natura in declino, è fondamentale trovare modi per vivere in modo più armonioso nel nostro pianeta verde.