Scoperta accidentale: Come un profumo di una sostanza chimica insolita trasforma i germogli in super piante.

"Preparare" le piante esponendole a determinate sostanze chimiche quando sono semi può influenzare la loro crescita in seguito nella vita.

I ricercatori hanno scoperto che trattare i semi con il gas etilene aumenta sia la loro crescita che la tolleranza allo stress. Questa scoperta, che coinvolge una fotosintesi potenziata e la produzione di carboidrati nelle piante, offre una potenziale svolta nel miglioramento dei rendimenti delle colture e nella resistenza agli stress ambientali.

Come qualsiasi altro organismo, le piante possono subire stress. Di solito, sono le condizioni come calore e siccità a portare a questo stress e, quando sono stressate, le piante potrebbero non crescere tanto grandi o produrre tanto. Questo può essere un problema per gli agricoltori, quindi molti scienziati hanno provato a modificare geneticamente le piante per renderle più resilienti.

Tuttavia, le piante modificate per maggiori rese di coltura tendono ad avere una minore tolleranza allo stress perché investono più energia nella crescita che nella protezione dagli stress. Allo stesso modo, migliorare la capacità delle piante di sopravvivere allo stress spesso comporta piante che producono di meno perché investono più energia nella protezione che nella crescita. Questo enigma rende difficile migliorare la produzione agricola.

Sto studiando come l'ormone vegetale etilene regola la crescita e le risposte allo stress delle piante. In uno studio pubblicato nel luglio 2023, il mio laboratorio ha fatto una scoperta inaspettata ed eccitante. Abbiamo scoperto che quando i semi stanno germogliando al buio, come di solito sono sottoterra, l'aggiunta di etilene può aumentare sia la loro crescita che la tolleranza allo stress.

Le piante non possono muoversi, quindi non possono evitare condizioni ambientali stressanti come calore e siccità. Assorbono una varietà di segnali dal loro ambiente, come la luce e la temperatura, che influenzano la loro crescita, lo sviluppo e il modo in cui affrontano condizioni stressanti. Come parte di questa regolazione, le piante producono vari ormoni che fanno parte di una rete di regolazione che consente loro di adattarsi alle condizioni ambientali.

L'etilene è stato scoperto per la prima volta come ormone vegetale gassoso più di 100 anni fa. Da allora, la ricerca ha dimostrato che tutte le piante terrestri che sono state studiate producono etilene. Oltre a controllare la crescita e rispondere allo stress, è coinvolto anche in altri processi come il cambiamento di colore delle foglie in autunno e la maturazione dei frutti.

Il mio laboratorio si concentra su come le piante e i batteri percepiscano l'etilene e su come interagisca con altre vie degli ormoni per regolare lo sviluppo delle piante. Durante questa ricerca, il mio gruppo ha fatto una scoperta accidentale.

Stavamo conducendo un esperimento in cui i semi stavano germogliando in una stanza buia. La germinazione dei semi è un periodo critico nella vita di una pianta quando, nelle condizioni favorevoli, il seme passerà dalla fase di dormienza a quella di piantina.

Per questo esperimento, abbiamo esposto i semi al gas etilene per diversi giorni per vedere quale effetto avesse. Poi abbiamo rimosso l'etilene. Normalmente, qui sarebbe finito l'esperimento. Tuttavia, dopo aver raccolto dati su queste piantine, le abbiamo trasferite in un carrello luminoso. Questo non è qualcosa che facciamo di solito, ma volevamo far crescere le piante fino all'età adulta per poter ottenere semi per futuri esperimenti.

Alcuni giorni dopo aver messo le piantine sotto la luce, alcuni membri del laboratorio hanno fatto l'osservazione inaspettata e sorprendente che le piante brevemente esposte all'etilene erano molto più grandi. Avevano foglie più grandi e sistemi radicale più lunghi e complessi rispetto alle piante che non erano state esposte all'etilene. Queste piante hanno continuato a crescere a un ritmo più rapido per tutta la loro vita.

La pianta a sinistra non è stata "preparata" con etilene, mentre quella a destra lo è stata. Entrambe le piante hanno la stessa età. Crediti: Binder lab, University of Tennessee, Knoxville

I miei colleghi ed io volevamo sapere se diverse specie vegetali mostrassero una stimolazione della crescita quando esposte all'etilene durante la germinazione dei semi. Abbiamo scoperto che la risposta è sì. Abbiamo testato gli effetti del trattamento di breve termine con etilene sui semi di pomodoro, cetriolo, grano e rucola in fase di germinazione: tutti sono cresciuti di più.

Ciò che ha reso questa osservazione insolita ed eccitante è che il breve trattamento con etilene ha aumentato anche la tolleranza a vari stress come lo stress salino, l'alta temperatura e le basse condizioni di ossigeno.

Gli effetti a lungo termine sulla crescita e sulla tolleranza allo stress derivanti da una breve esposizione a uno stimolo sono spesso chiamati effetti di preparazione. Si può pensare a questo come "preparare una pompa", dove il "preparare" aiuta a far partire la pompa più facilmente e rapidamente. Gli studi hanno analizzato come le piante crescono dopo la preparazione a varie età e stadi di sviluppo. Ma la preparazione dei semi con varie sostanze chimiche e stress è probabilmente quella più studiata perché è facile da eseguire e, se ha successo, può essere utilizzata dagli agricoltori.

Dal momento di quel primo esperimento, il mio gruppo di laboratorio ha cercato di capire quali meccanismi permettessero a queste piante esposte all'etilene di crescere di più e tollerare più stress. Abbiamo trovato alcune possibili spiegazioni.

One is that ethylene priming increases photosynthesis, the process plants use to make sugars from light. Part of photosynthesis includes what is called carbon fixation, where plants take CO₂ from the atmosphere and use the CO₂ molecules as the building blocks to make the sugars.

During photosynthesis and carbon fixation, plants take in sunlight and convert it into the sugars that they use to grow.

My lab group showed that there is a large increase in carbon fixation – which means the plants are taking in much more CO₂ from the atmosphere.

Correlating with the increase in photosynthesis is a large increase in carbohydrate levels throughout the plant. This includes large increases in starch, which is the energy storage molecule in plants, and two sugars, sucrose and glucose, that provide quick energy for the plants.

More of these molecules in the plant has been linked to both increased growth and a better ability for plants to withstand stressful conditions.

Our study shows that environmental conditions during germination can have profound and long-lasting effects on plants that could increase both their size and their stress tolerance at the same time. Understanding the mechanisms for this is more important than ever and could help improve crop production to feed the world’s population.

Written by Brad Binder, Professor of Biochemistry & Cellular and Molecular Biology, University of Tennessee.

Adapted from an article originally published in The Conversation.