Nuovi elementi verso la comprensione del ruolo dell'emissione di isoprene nella tolleranza

Delle Piante Agli Stress Ambientali

L’isoprene è il singolo composto biogenico organico volatile (BVOC) più abbondante emesso dalle piante. Nonostante la rilevanza di questa molecola per la tolleranza delle piante agli stress abiotici e il suo impatto sulla chimica atmosferica globale, si sa ancora relativamente poco su come l’isoprene renda le piante più tolleranti al calore, allo stress ossidativo e alla siccità.

L’Unità di Ecogenomica si è concentrata sulla dissezione dei meccanismi molecolari che consentono all’isoprene di conferire tolleranza alla siccità utilizzando la specie modello Arabidopsis thaliana, che non emette isoprene, come sistema eterologo per la sovraespressione dell’isoprene sintasi (IspS). IspS è l’unico gene responsabile della biosintesi dell’isoprene in tutte le specie di piante che emettono naturalmente isoprene, per cui abbiamo studiato la variazione naturale nell’attività enzimatica di IspS da diverse specie monocotiledoni delle famiglie delle Poaceae e delle Arecaceae. Lo sviluppo di un metodo di screening ad alto rendimento per l’emissione di isoprene basato su PTR-ToF-MS in collaborazione con la Piattaforma Composti Volatili in FEM è stato determinante per l’identificazione di piante di Arabidopsis thaliana altamente emittenti a seguito di trasformazione con IspS da diverse specie vegetali. Questo a sua volta ci ha permesso di identificare in modo affidabile le differenze di sviluppo e tolleranza allo stress indotte dall’emissione di isoprene rispetto alle piante non trasformate. I risultati di questo sforzo comparativo su larga scala indicano che l’isoprene influisce sulla cascata di segnalazione dell’acido abscissico (ABA) a diverse scale, migliorando la sensibilità stomatica all’ABA attraverso la sovraespressione del gene regolatore delle risposte alla siccità RD29B. Al contrario, nei semi in germinazione e nelle radici l’isoprene diminuisce la sensibilità all’ABA, suggerendo l’esistenza di meccanismi d’azione tessuto-specifici ancora ignoti. Nelle foglie, l’isoprene causa una maggiore tolleranza allo

Piante di Arabidopsis che sovraesprimono il gene IspS di Arundo donax sono più tolleranti allo stress idrico ed hanno una migliore risposta di chiusura stomatica all’ABA stress da carenza idrica attraverso la sottoespressione dei geni COR15A e P5CS , migliorando così l’integrità della membrana cellulare e la tolleranza allo stress osmotico.

Confrontando le linee di Arabidopsis trasformate con il gene IspS nativo di Arundo donax (che emettono isoprene) con quelle trasformate con una versione mutata del gene che causa l’emissione di ocimene, è stato possibile dimostrare che gli emettitori di isoprene in stress idrico hanno un comportamento idrico conservativo e chiudono gli stomi prima degli emettitori di ocimene, che mostrano quindi un comportamento idrico non conservativo. https://doi.org/10.3390/ijms21124276

Questi risultati suggeriscono che i meccanismi d’azione dell’isoprene differiscono da quelli di altri BVOC in termini di conservazione idrica e adattamento allo stress e che lo sviluppo tramite editing genomico di colture come pioppo, eucalipto, palme da olio e datteri prive di emissioni di isoprene e quindi con meno impatti potenziali sulla qualità dell’aria potrebbero essere meno produttive e resistenti agli stress ambientali.

Maggiori informazioni nell’articolo pubblicato su International Journal of Molecular Sciences 2020, 21(12), 4276.

PAROLE CHIAVE: isoprene biologico, composti volatili, stress idrico, stress abiotici

SPECIE: Arundo donax, Arabidopsis thaliana

I metalli e i metalloidi sono componenti naturali della crosta terrestre, per cui la capacità delle piante di detossificare metalli e metalloidi derivanti dai processi naturali di alterazione delle rocce è una caratteristica antica e diffusa. Diverse specie di piante terrestri hanno sviluppato vari gradi di capacità nel tollerare elementi potenzialmente tossici per sopravvivere e crescere in aree contaminate. Gli studi finora condotti in questo campo di ricerca si sono concentrati principalmente sulle angiosperme, mentre altri cladi vegetali sono stati in qualche modo trascurati. Studi recenti hanno invece rivelato il potenziale di briofite, pteridofite e gimnosperme nelle scienze ambientali, sia come utili indicatori della

Il mutante knockout della fitochelatina sintasi in M. polymorpha può essere applicabile come bioindicatore dell'inquinamento da Cd2+ salute dell’habitat e dell’inquinamento da parte di diverse sostanze tossiche, sia come efficaci strumenti per la bonifica di suoli e acque contaminati. Tuttavia si sa molto poco sui geni delle briofite responsabili della detossificazione da metalli/metalloidi, una conoscenza, quest’ultima, che potrebbe fornire nuovi strumenti per applicazioni di monitoraggio ambientale.

L’enzima fitochelatina sintasi (PCS) è responsabile in piante della biosintesi delle fitochelatine (PCn), dei potenti chelanti di metalli e metalloidi che svolgono ruoli essenziali nella detossificazione dei metalli pesanti e dell’arsenico nel regno vegetale. Mediante trasformazione genetica e editing del genoma con CRISPR/ Cas9 (acronimo inglese di ripetizioni palindromiche corte (CRISPR)/proteine associate a CRISPR 9), abbiamo ottenuto linee della briofita modello Marchantia polymorpha con attività de-regolata del gene MpPCS, Inoltre MpPCS è stato anche sovraespresso in M. polymorpha per studiarne la funzione ancora più in dettaglio. La caratterizzazione genetica, biochimica e fisiologica di entrambe le linee con perdita e aumento di funzione dell’enzima hanno fornito la prova che MpPCS svolge un ruolo essenziale nella detossificazione del cadmio (Cd2+), ma non dell’arsenico (As3+) o di altri cationi metallici bivalenti in M. polymorpha. Ciò indica che la capacità di detossificare il Cd2+ è una funzione plesiomorfica (cioè ancestrale) e importante della PCS in tutte le piante terrestri. L’ipersensibilità al cadmio suggerisce inoltre che i mutanti Mppcs potrebbero essere potenzialmente utilizzati come bioindicatori altamente specifici e a basso costo dell’inquinamento da Cd2+ nell’ambiente attraverso la valutazione visiva diretta della crescita e della pigmentazione delle piante.

Maggiori informazioni nell’articolo pubblicato su Journal of Hazardous Materials (2022) 440: 129844. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.129844

PAROLE CHIAVE: fitochelatina sintasi, miglioramento genetico, bioindicatore

SPECIE: Marchantia polymorpha