I legumi sono una famiglia di piante ampiamente consumata che funge da fonte significativa di proteine ​​alimentari, fibra, e altri nutrienti essenziali. Ottengono azoto attraverso un processo specializzato noto come nodulazione, una partnership simbiotica in cui i batteri del suolo infettano la radice di una pianta, formare noduli simili a bulbi, e convertire l'azoto in una forma adatta alle piante. Comprendere come è regolata la nodulazione può aiutare gli sforzi ambientali per migliorare l'efficienza delle colture di leguminose e ridurre la necessità di fertilizzanti chimici.

In uno studio pubblicato su Comunicazioni sulla natura , i ricercatori dell'Università di Tsukuba hanno ora identificato un percorso genetico chiave nel legume Lotus japonicus che controlla la nodulazione in risposta ai livelli di azoto nel suolo.

L'azoto è un elemento essenziale per tutti gli organismi viventi, in quanto viene utilizzato per creare gli elementi costitutivi organici della vita:DNA, RNA, e proteine. Per i legumi, ottenere (o "fissare") l'azoto attraverso i noduli ha un costo, perché la pianta ha bisogno di spendere energia e risorse per sostenere i batteri. A causa di questo compromesso, i legumi devono mantenere un equilibrio finemente sintonizzato di nodulazione.

"I noduli radicali si formano in risposta a bassi livelli nel suolo di molecole di azoto fissate come il nitrato, ", spiega l'autrice principale Hanna Nishida. "Quando la concentrazione di nitrati nel suolo aumenta, i legumi possono rispondere inibendo la nodulazione radicale. Il meccanismo di questa risposta era sconosciuto, anche se, quindi il nostro obiettivo era quello di individuare come avviene la regolazione dipendente dai nitrati in queste piante".

Il team di ricerca ha eseguito uno screening genetico, mutando chimicamente i geni di L. japonicus e cercando mutazioni che rendessero i noduli non responsivi al nitrato. Hanno trovato un gene, che hanno chiamato nitrato simbiosi non responsiva 1 (NRSYM1), che quando mutato fa sì che il legume continui a formare nuovi noduli anche quando il nitrato è nel terreno. Inoltre, hanno scoperto che la stessa mutazione interrompe la regolazione dei noduli in diversi altri punti chiave di controllo:nelle piante carenti di NRSYM1, il nitrato non può più impedire la crescita dei noduli esistenti, impedire ai noduli di fissare l'azoto, o impedire ai batteri di infettare le radici in primo luogo.

Avendo confermato il ruolo essenziale di NRSYM1, il team ha deciso di scoprire come svolge i suoi numerosi effetti sulla nodulazione. Hanno determinato che NRSYM1 codifica per un fattore di trascrizione, una proteina che, in presenza di nitrati, attiva direttamente un altro gene che impedisce la formazione di nuovi noduli. Sebbene il collegamento tra NRSYM1 e gli altri punti di controllo non sia ancora chiaro, i ricercatori ritengono che il loro studio getti le basi per future scoperte.

"Il controllo della nodulazione radicale è un processo complesso che probabilmente coinvolge molteplici vie di segnalazione, " osserva l'autore corrispondente Takuya Suzaki. "La nostra scoperta che NRSYM1 è un regolatore dell'espressione genica sensibile ai nitrati è importante, poiché apre la porta alla ricerca di altri bersagli genetici regolati da questo fattore. Lo consideriamo un significativo passo avanti nella comprensione di come i legumi rispondono all'azoto del suolo, e siamo fiduciosi che questo aiuterà a informare i programmi di allevamento e gli sforzi di ingegneria genetica che mirano a migliorare l'efficienza delle colture".