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Immaginate una pianta come una fortezza vivente che non può scappare quando i microbi attaccano. Sulla superficie delle sue cellule si nascondono proteine speciali che funzionano come sentinelle pronte a lanciare l’allarme. Quando le proteine individuano batteri o altri microbi attivano le difese immunitarie della pianta in pochi istanti.
Una ricerca ha scoperto che queste sentinelle devono organizzarsi nel modo giusto per funzionare al meglio. Due sensori che lavorano in coppia producono una risposta immunitaria forte permettendo comunque alla pianta di sostituire i recettori usati con quelli freschi per il prossimo attacco.
Indice
I sensori immunitari delle piante funzionano meglio organizzandosi in coppie invece che rimanere singoli. Uno studio ha analizzato la proteina FLS2 scoprendo che prima dell'attacco solo lo 0,76% dei recettori è raggruppato casualmente. Quando i sensori lavorano in coppia la risposta immunitaria contro batteri come Pseudomonas syringae diventa più forte ed efficace. I gruppi troppo grandi hanno problemi a riciclarsi dopo l'attivazione bloccando le difese. Le piante con recettori accoppiati hanno resistito meglio a tre sfide consecutive lasciando sei ore per il ricambio necessario. Questo equilibrio permette difese robuste senza compromettere la crescita normale.
Come le piante percepiscono i segnali batterici
Il team di ricerca ha studiato una proteina chiamata FLS2 che si trova sulla superficie delle cellule vegetali. La proteina FLS2 può individuare un piccolo pezzo di batteri chiamato flg22 che funziona come segnale di pericolo. Quando FLS2 lo rileva collabora con un’altra proteina chiamata BAK1 per passare il segnale di avvertimento all’interno della cellula, e insieme accendono diverse parti della risposta immunitaria della pianta proteggendola dalle infezioni.
Il professor Miao Yansong della School of Biological Sciences della Nanyang Technological University di Singapore ha guidato il lavoro spiegando l’approccio con una metafora militare.
Immaginate delle sentinelle su una torre di guardia pronte a segnalare un intruso. Se sono nel numero corretto individuano il pericolo e reagiscono subito. Troppi uomini sul posto però si intralciano a vicenda rallentando l’azione. Gli scienziati hanno trovato il punto di equilibrio perfetto per potenziare le difese senza compromettere la crescita della pianta.
La vita solitaria dei recettori prima dell’attacco
I ricercatori hanno voluto vedere cosa fa FLS2 prima che la pianta percepisca i batteri aggiungendo marcatori luminosi ai recettori. Questo ha permesso di guardarli muoversi sulla superficie delle cellule viventi in tempo reale. La maggior parte dei recettori FLS2 è rimasta separata prima che comparisse il segnale di avvertimento batterico.
A volte due recettori si avvicinavano solo per caso quindi il team ha utilizzato simulazioni al computer per capire quanto spesso dovrebbe accadere. Dopo aver permesso queste riunioni casuali solo circa lo 0,76 per cento dei recettori sembrava essere raggruppato insieme. Questo ha dimostrato che FLS2 di solito rimane separato quando la pianta non è sotto attacco.
Quando i ricercatori hanno aggiunto flg22 si sono riuniti più recettori FLS2 rimanendo insieme più a lungo. Il tempo di permanenza insieme è passato da circa otto secondi a circa 11 secondi mostrando un cambiamento significativo nel comportamento dei sensori.
Le coppie di recettori potenziano le difese immunitarie
Guardare i recettori muoversi ha mostrato cosa è successo naturalmente ma il team aveva ancora bisogno di sapere se il raggruppamento FLS2 ha effettivamente cambiato la risposta immunitaria. Hanno quindi creato piante con FLS2 progettate per rimanere principalmente come singoli recettori, coppie o gruppi più grandi. Le piante erano Arabidopsis thaliana, una specie ampiamente utilizzata nella biologia delle piante di laboratorio per la sua semplicità genetica.
I ricercatori hanno utilizzato pezzi proteici appositamente progettati per contenere FLS2 in diverse disposizioni controllando poi che si fossero formate tali disposizioni. La versione accoppiata ha prodotto la risposta di difesa precoce più forte dopo che le piante hanno rilevato flg22.
Anche i gruppi più grandi hanno rafforzato la risposta rispetto ai recettori per lo più singoli ma non hanno funzionato così bene come le coppie. Diverse misurazioni hanno indicato lo stesso risultato confermando la scoperta.
I recettori accoppiati hanno prodotto un’attività più forte nelle proteine che portano l’avvertimento attraverso la cellula. Hanno anche generato una più grande esplosione di molecole di ossigeno reattivo che le piante utilizzano come parte della loro risposta precoce alla difesa contro i patogeni.
Meno batteri nelle piante con recettori accoppiati
I ricercatori hanno quindi testato se questi segnali di avvertimento più forti contavano durante un’infezione batterica reale. Hanno esposto le piante a Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000, un batterio comunemente usato negli esperimenti di malattia delle piante. Tre giorni dopo le piante con FLS2 accoppiato avevano meno batteri che crescevano all’interno delle loro foglie rispetto alle piante con per lo più recettori singoli.
Un secondo ceppo batterico utilizzato per testare questo sistema immunitario di superficie ha prodotto lo stesso modello generale. La risposta immunitaria più forte non era però completamente priva di compromessi. Quando le piantine erano continuamente esposte a flg22 le piante con i recettori accoppiati mostravano maggiori riduzioni della crescita delle radici. Le piante ingegnerizzate avevano comunque una crescita simile prima di quella sfida immunitaria.
I problemi dei gruppi recettoriali più grandi
All’inizio i gruppi recettoriali più grandi sembravano utili perché producevano ancora una segnalazione più forte rispetto ai singoli recettori FLS2. La differenza è diventata più chiara quando i ricercatori hanno osservato cosa è successo dopo che quei recettori avevano fatto il loro lavoro. L’FLS2 attivato normalmente non rimane sulla superficie cellulare per sempre. Le cellule tirano i recettori usati verso l’interno e li elaborano prima di riportare i recettori freschi in superficie.
I recettori accoppiati potevano ancora passare attraverso questo processo in modo efficiente. I gruppi recettoriali più grandi si sono spostati molto meno e sono rimasti sulla superficie cellulare più a lungo. Quel ritardo non è stato causato da un guasto generale del sistema di trasporto della cellula. Il problema sembrava provenire dai gruppi recettoriali sovradimensionati stessi che ostacolavano il ricambio.
L’importanza dei recettori freschi
La squadra ha poi sfidato gli impianti con flg22 tre volte separate lasciando circa sei ore tra ogni round. Questo ha dato alle cellule il tempo di rimuovere i recettori usati e sostituirli con quelli freschi. Le piante con per lo più singoli recettori recuperati tra le sfide mostrando resilienza. Le piante con recettori accoppiati hanno prodotto la risposta più forte durante tutti e tre i giri dimostrando superiorità.
I gruppi recettoriali più grandi si sono comportati in modo diverso. La loro risposta è diventata più debole durante la seconda e la terza sfida anche se un sacco di proteine FLS2 erano ancora presenti. Questo risultato ha mostrato perché il rinnovamento dei recettori è importante per la difesa continua. Una pianta può avere molti sensori immunitari sulle sue cellule ma quei sensori sono meno utili se non possono essere cancellati e sostituiti dopo l’attivazione.
Il meccanismo resta parzialmente incerto
Gli autori pensano che l’accoppiata dei recettori possa aiutare ad avvicinare diverse proteine immunitarie facilitando il passaggio del segnale. Ciò potrebbe rendere più facile per il segnale di avvertimento passare da una proteina all’altra nella catena di difesa.
Gli esperimenti non hanno dimostrato direttamente questa spiegazione lasciando spazio a ulteriori indagini. Non hanno dimostrato che le molecole naturali FLS2 si toccano sempre direttamente perché BAK1 e altre parti della membrana cellulare possono aiutare a tenerli vicini.
Il team ha anche provato a cambiare le parti di FLS2 naturali che si pensa influenzino l’abbinamento dei recettori. I cambiamenti hanno disturbato la posizione normale del recettore sulla superficie cellulare, e l’esperimento non ha potuto mostrare in modo pulito se l’abbinamento FLS2 naturale è assolutamente richiesto per l’immunità completa delle piante.
Le colture alimentari hanno bisogno di test specifici
I risultati indicano possibili modi per rafforzare l’immunità delle piante ma gli esperimenti sono stati effettuati principalmente in Arabidopsis thaliana e Nicotiana benthamiana. Non dimostrano che la stessa disposizione dei recettori funzionerà nelle verdure o in condizioni agricole reali.
Il professor Yansong ha spiegato che ora che capiscono come questi recettori immunitari possono essere raggruppati con precisione per produrre una risposta più forte ci sono diversi modi in cui questa conoscenza potrebbe essere applicata.
Un percorso è attraverso varietà e semi di colture migliorate geneticamente. Il team sta anche lavorando a metodi che potrebbero eventualmente essere applicati direttamente alle colture che sono già in crescita. Il lavoro futuro avrebbe bisogno di trovare le giuste disposizioni dei recettori nelle singole colture, e dovranno testarle contro diversi microbi che causano malattie per validare l’approccio in condizioni reali.
Per ora gli esperimenti mostrano che un’immunità vegetale più forte non è semplicemente una questione di imballare più sensori su una cellula. La disposizione più efficace in questi test è stata quella che ha rafforzato il primo avvertimento pur lasciando che la pianta sostituisse i recettori usati in seguito.
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