Perché alcune piante riescono a stringere alleanze con batteri che trasformano l’azoto dell’aria in nutrimento mentre altre rimangono del tutto incapaci di farlo. La risposta dopo oltre vent’anni di ricerca è stata trovata in un minuscolo frammento di DNA lungo appena 29 lettere genetiche.
Un interruttore molecolare si chiama PACE. È comparso una sola volta nell’evoluzione nell’antenato comune di un gruppo ristretto di piante. Tra queste piante troviamo legumi, betulle e rose.
L’assorbimento batterico nelle piante è permesso da questo interruttore molecolare che ha permesso loro di ospitare batteri utili all’interno delle proprie cellule radiali. Una scoperta che apre la strada a colture più autonome e molto meno dipendenti dai fertilizzanti chimici sintetici.
Assorbimento batterico nelle piante in un minuto
Scienziati hanno identificato PACE, un minuscolo elemento regolatore del DNA lungo 29 basi, presente solo nelle piante capaci di simbiosi con batteri azotofissatori. PACE attiva il gene NIN in risposta a segnali di simbiosi già esistenti, permettendo la formazione di filamenti di infezione che portano i batteri dentro le cellule vegetali.
La sua assenza spiega perché grano, mais e riso non fissano l’azoto. Inserendo PACE nel pomodoro, i ricercatori hanno indotto parzialmente questa capacità. La scoperta, dopo oltre 20 anni di ricerche, apre la strada a colture future meno dipendenti dai fertilizzanti sintetici, con impatti rilevanti per agricoltura sostenibile e ambiente.
Come solo alcune piante hanno questa capacità
La simbiosi con batteri azotofissatori rimane capace di convertire l’azoto atmosferico in una forma utilizzabile dalle piante. È un vantaggio straordinario per la sopravvivenza della pianta. Questa capacità però rimane riservata a un solo ramo dell’albero della vita vegetale.
È un gruppo che comprende fagioli, soia, querce, nocciole e rose come piante esemplari. Tutte le altre piante come grano, mais, riso e patate rimangono escluse da questa capacità. Per crescere queste piante dipendono completamente da fertilizzanti azotati spesso di origine industriale e molto inquinanti.
Per decenni gli scienziati si sono chiesti quale fosse il trucco evolutivo che ha permesso ad alcune piante di sviluppare noduli radicali dove accogliere i batteri utili. Ora un team internazionale ha identificato la chiave di volta di tutto il meccanismo. È un elemento regolatore nel DNA denominato PACE che rimane presente solo nelle specie capaci di questa simbiosi batterica vantaggiosa.
Come l’interruttore PACE funziona nelle cellule
Il gene NIN che significa Nodule Inception rimane noto da tempo come il maestro di questa danza simbiotica tra pianta e batterio. Ciò che lo rende funzionale in alcune piante e completamente inattivo in altre rimase un mistero per i ricercatori.
Analizzando i promotori cioè le regioni di controllo del gene NIN in centinaia di specie diverse i ricercatori hanno scoperto un fatto importante. Solo le specie appartenenti al gruppo nodulante possiedono il frammento PACE. L’assorbimento batterico nelle piante avviene grazie a questo interruttore.
Agisce come un ponte molecolare per permette a un segnale già presente in tutte le piante di attivare NIN. Questo segnale viene usato normalmente per dialogare con i funghi micorrizici nel suolo.
L’interruttore PACE avvia la formazione di strutture specializzate denominati filamenti di infezione. Ii filamenti guidano i batteri dall’esterno fin dentro le cellule vegetali profonde. Senza PACE il segnale non arriva alle cellule e la simbiosi non si avvia mai.
Come gli scienziati hanno provato che PACE funziona
Gli scienziati hanno testato la vera funzione di PACE con esperimenti avanzati di ingegneria genetica. In una prima prova hanno inserito PACE nel promotore di NIN del pomodoro. Il pomodoro è una pianta normalmente del tutto incapace di fare noduli.
Hanno osservato che questa versione geneticamente modificata riusciva a guidare la formazione di filamenti di infezione bacterici. In un’altra prova molto significativa hanno rimosso PACE da una pianta di loto giapponese. Questa pianta rimane normalmente simbiotica con i batteri.
Hanno visto scomparire la capacità di ospitare i batteri utili. Rimase però la capacità astratta di formare noduli vuoti senza i batteri. Questo dimostra scientificamente che PACE non serve a costruire il villaggio cioè il nodulo radicale. Serve invece a farci entrare gli ospiti cioè i batteri azotofissatori. L’assorbimento batterico nelle piante dipende dall’interruttore PACE funzionante.
L’importanza della scoperta per l’agricoltura futura
L’azoto rimane essenziale per la crescita di tutte le colture mondiali. La sua produzione industriale rimane molto energetica e inquinante per l’ambiente. Se fosse possibile trasferire geneticamente la capacità di fissare l’azoto a grano, mais o riso si potrebbe ridurre drasticamente l’uso totale di fertilizzanti chimici.
Questo porterebbe benefici concreti per il clima globale, per le falde acquifere sotterranee e per le economie agricole locali. La scoperta di PACE non significa che l’obiettivo sia già raggiunto completamente. Serviranno molti anni di ricerca ancora. Però indica con grande precisione dove intervenire geneticamente.
Non si tratta più di aggiungere interi geni nel DNA. Si tratta di inserire un piccolo interruttore preciso in un circuito genetico già esistente e funzionante. È un passo concreto verso un’agricoltura più sostenibile ispirata a strategie evolutive che la natura ha affinato in milioni di anni di evoluzione.
Fonte:
Ricerche condotte da team internazionali delle università di:
- Universidad Politécnica de Madrid
- Universidad de Murcia
- Universidad de Valencia
- Riferimenti a database genomici: NCBI, Phytozome, analisi filogenetiche su 163 specie vegetali.
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