In un articolo apparso su Science Advances , I ricercatori della Michigan State University hanno svelato un sorprendente mistero genetico incentrato sugli zuccheri presenti in quello che i giardinieri conoscono come "catrame di pomodoro".
Chiunque abbia potato le piante di pomodoro a mani nude probabilmente si è trovato le dita scurite da una sostanza appiccicosa, nero-oro, che non si lava via del tutto. Questo catrame di pomodoro è appiccicoso per una buona ragione. È fatto di zuccheri (acilzuccheri, per la precisione) e agisce come una sorta di carta moschicida naturale per gli eventuali parassiti.
"Le piante si sono evolute per produrre tanti veleni sorprendenti e altri composti biologicamente attivi", ha affermato Robert Last, ricercatore dello Stato del Michigan, a capo del nuovo studio.
Il laboratorio The Last è specializzato in acilzuccheri e nelle minuscole strutture simili a peli in cui vengono prodotti e conservati, note come tricomi. Una volta si pensava che si trovassero esclusivamente nei tricomi, altri ricercatori hanno recentemente riferito di aver trovato acilzuccheri anche nelle radici dei pomodori. Questa è stata una sorpresa per la comunità delle scienze vegetali.
Nel loro studio, il team della Michigan State University voleva sapere come funzionavano questi acilzuccheri radicali e da dove provenivano. Hanno scoperto che non solo le piante di pomodoro sintetizzano acilzuccheri chimicamente unici nelle radici e nei tricomi, ma questi acilzuccheri vengono prodotti attraverso due percorsi metabolici paralleli.
Questo è l'equivalente delle catene di montaggio di una fabbrica automobilistica che producono due modelli diversi della stessa automobile, ma che non interagiscono mai.
Queste scoperte stanno aiutando gli scienziati a comprendere meglio la resilienza e la storia evolutiva delle Solanacee, o solanacee, una vasta famiglia di piante che comprende pomodori, melanzane, patate, peperoni, tabacco e petunie. Potrebbero anche aiutare a informare i ricercatori che cercano di sviluppare molecole prodotte dalle piante in composti per aiutare l'umanità.
"Dai prodotti farmaceutici, ai pesticidi, alle creme solari, molte piccole molecole che gli esseri umani hanno adattato per usi diversi provengono dalla corsa agli armamenti tra piante, microbi e insetti", ha detto Last.
Oltre alle sostanze chimiche chiave essenziali per la crescita, le piante producono anche un tesoro di composti che svolgono un ruolo cruciale nelle interazioni ambientali. Questi possono attrarre utili impollinatori e sono la prima linea di difesa contro gli organismi nocivi.
"La cosa straordinaria di questi metaboliti specializzati è che sono tipicamente sintetizzati in cellule e tessuti altamente precisi", ha affermato Rachel Kerwin, ricercatrice post-dottorato presso la MSU e prima autrice dell'ultimo articolo.
"Prendi ad esempio gli acilzuccheri. Non li troverai prodotti nelle foglie o negli steli di una pianta di pomodoro. Questi metaboliti di difesa fisicamente appiccicosi sono prodotti proprio nella punta dei tricomi."
Quando venne riferito che gli acilzuccheri potevano essere trovati anche nelle radici dei pomodori, Kerwin lo prese come un appello al lavoro di detective genetico vecchio stile.
"La presenza di questi acilzuccheri nelle radici era affascinante e ha portato a tante domande. Come è potuto succedere, come vengono prodotti e sono diversi dagli acilzuccheri dei tricomi che abbiamo studiato?"
Per iniziare ad affrontare l'enigma evolutivo, i membri del laboratorio hanno collaborato con gli specialisti del Centro di spettrometria e metabolomica di massa della MSU, nonché con il personale della struttura di risonanza magnetica nucleare Max T. Rogers.
Confrontando i metaboliti delle radici e dei germogli delle piantine di pomodoro, sono emerse numerose differenze. La composizione chimica di base degli acilzuccheri in superficie e sottoterra era notevolmente diversa, tanto da poter essere definiti come classi di acilzuccheri completamente diverse.
Infine, un eminente professore universitario presso il Dipartimento di Biochimica e Biologia Molecolare e il Dipartimento di Biologia Vegetale del College of Natural Science della MSU, offre un'analogia utile per spiegare come un genetista si avvicina alla biologia.
"Immagina di provare a capire come funziona un'auto rompendo un componente alla volta", ha detto. "Se sgonfi le gomme di un'auto e noti che il motore funziona ancora, hai scoperto un fatto fondamentale anche se non sai cosa fanno esattamente le gomme." Sostituisci le parti delle automobili con i geni e otterrai un quadro più chiaro del lavoro svolto dal laboratorio Last per decifrare ulteriormente il codice sugli acilzuccheri delle radici.
Osservando i dati sulla sequenza genetica pubblica, Kerwin ha notato che molti dei geni espressi nella produzione del tricoma acilzucchero del pomodoro avevano parenti stretti nelle radici. Dopo aver identificato un enzima ritenuto il primo passo nella biosintesi dell'acilzucchero delle radici, i ricercatori hanno iniziato a "rompere la macchina".
Quando hanno eliminato il gene candidato all’acilzucchero della radice, la produzione di acilzucchero della radice è svanita, lasciando intatta la produzione di tricoma acilzucchero. Nel frattempo, quando il gene ben studiato dell'acilzucchero del tricoma è stato eliminato, la produzione dell'acilzucchero nelle radici è continuata come al solito.
Questi risultati hanno offerto la prova lampante di un sospetto mirroring metabolico.
"Oltre al percorso dell'acilzucchero in superficie che studiamo da anni, qui troviamo questo secondo universo parallelo che esiste sottoterra", ha detto Last.
"Ciò ha confermato che due percorsi coesistono nello stesso impianto", ha aggiunto Kerwin.
Per portare a casa questa svolta, Jaynee Hart, ricercatore post-dottorato e secondo autore dell'ultimo articolo, ha esaminato più da vicino le funzioni dei tricomi e degli enzimi delle radici. Proprio come gli enzimi dei tricomi e gli acilzuccheri che producono costituiscono una corrispondenza chimica ben studiata, ha trovato un collegamento promettente anche tra gli enzimi delle radici e gli acilzuccheri.
"Lo studio degli enzimi isolati è un potente strumento per accertare la loro attività e trarre conclusioni sul loro ruolo funzionale all'interno della cellula vegetale", ha spiegato Hart.
Questi risultati sono stati un'ulteriore prova delle vie metaboliche parallele esistenti in una singola pianta di pomodoro.
"Le piante e le automobili sono così diverse, ma simili nel senso che quando apri il proverbiale cofano diventi consapevole della moltitudine di parti e connessioni che le fanno funzionare. Questo lavoro ci fornisce nuove conoscenze su una di quelle parti nelle piante di pomodoro e ci suggerisce ulteriori ricerca sulla sua evoluzione e funzione e se possiamo utilizzarlo in altri modi", ha affermato Pankaj Jaiswal, direttore del programma presso la National Science Foundation degli Stati Uniti.
"Quanto più impariamo sugli esseri viventi, dai pomodori e altre colture, agli animali e ai microbi, tanto più ampie saranno le opportunità di utilizzare tale apprendimento a beneficio della società", ha aggiunto.
L'articolo riporta anche una svolta affascinante e inaspettata riguardante i cluster di geni biosintetici, o BGC. I BGC sono raccolte di geni fisicamente raggruppati sul cromosoma e contribuiscono a un particolare percorso metabolico.
In precedenza, il laboratorio Last aveva identificato un BGC contenente geni legati ai tricomi acilzuccheri nelle piante di pomodoro. Kerwin, Hart e i loro collaboratori hanno ora scoperto che l'enzima acilzucchero espresso dalla radice risiede nello stesso cluster.
"Di solito nei BGC, i geni sono co-espressi negli stessi tessuti e in condizioni simili", ha affermato Kerwin.
"Ma qui abbiamo due gruppi di geni separati ma interconnessi. Alcuni espressi nei tricomi e altri espressi nelle radici."
Questa rivelazione ha portato Kerwin a immergersi nella traiettoria evolutiva delle specie di Solanacee, con la speranza di identificare quando e come si sono sviluppati questi due percorsi unici dell'acilzucchero.
Nello specifico, i ricercatori hanno attirato l'attenzione su un momento, circa 19 milioni di anni fa, in cui l'enzima responsabile dei tricomi acilzuccheri fu duplicato. Questo enzima un giorno sarebbe responsabile del percorso dell'acilzucchero espresso dalle radici, recentemente scoperto.
L'esatto meccanismo che "ha attivato" questo enzima nelle radici rimane sconosciuto, aprendo la strada al laboratorio Last per continuare a svelare i segreti evolutivi e metabolici della famiglia della belladonna.
"Lavorare con le Solanacee fornisce tantissime risorse scientifiche, nonché una forte comunità di ricercatori", ha affermato Kerwin. "Grazie alla loro importanza come colture e nell'orticoltura, queste sono piante di cui gli esseri umani si prendono cura da migliaia di anni."
Per Last, queste scoperte ricordano anche l'importanza dei pesticidi naturali, che in definitiva rappresentano i metaboliti di difesa come gli acilzuccheri.
"Se scoprissimo che questi acilzuccheri delle radici sono efficaci nel respingere gli organismi nocivi, potrebbero essere allevati in altre belladonna, aiutando così le piante a crescere senza la necessità di fungicidi e pesticidi sintetici dannosi?" Ultima domanda.
"Queste sono domande al centro della ricerca dell'umanità verso acqua più pura, cibo più sicuro e una minore dipendenza dalle sostanze chimiche sintetiche dannose."
Ulteriori informazioni: Rachel Kerwin et al, Metaboliti specializzati della radice di pomodoro evoluti attraverso la duplicazione genetica e la divergenza normativa all'interno di un cluster di geni biosintetici, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adn3991. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn3991
Informazioni sul giornale: La scienza avanza
Fornito dalla Michigan State University
