Dopo un lungo inverno, le giornate si allungano e le temperature iniziano a salire. Quasi da un giorno all’altro, le piante si risvegliano dal loro letargo invernale ed esplodono di fiori. Ma come percepiscono le piante questo cambio di stagione?
Due fattori principali, luce e temperatura, interagiscono per causare questa transizione. Questi fattori alterano lo sviluppo delle piante modulando il loro orologio circadiano, il cronometro interno che aiuta le piante ad anticipare i cambiamenti giornalieri e stagionali.
Un orologio interno nelle piante come negli umani
Negli esseri umani, l’orologio circadiano regola i cicli sonno-veglia, il metabolismo, i livelli ormonali e persino la temperatura corporea. Questo è il motivo per cui sperimentiamo il “jet lag” quando cambiamo fuso orario: il nostro orologio biologico deve essere reimpostato.
Nelle piante, l’orologio circadiano controlla l’attività enzimatica, il movimento delle foglie e molti processi di crescita e sviluppo, tra cui la riproduzione, l’apertura dei fiori e la produzione di profumi. L’orologio circadiano aiuta la pianta a sapere qual è la stagione e quando fiorire per una riproduzione di successo.
L’orologio circadiano è presente nella maggior parte degli organismi e dà origine a oscillazioni nell’espressione genica che si ripetono per circa 24 ore: i geni di un organismo funzionano come un insieme di istruzioni dettagliate utilizzate per produrre tutte le proteine in una cellula per la crescita e lo sviluppo.
Fiorisci ora o più tardi?
La pianta deve bilanciare diverse variabili – qualità della luce, durata del giorno, temperatura, livelli di acqua e nutrienti e disponibilità di impollinatori – per programmare la transizione floreale, cioè il passaggio dalla crescita vegetativa alla crescita riproduttiva. Il momento della fioritura è fondamentale perché il fiore, con i suoi vistosi petali, i suoi stami, i suoi organi maschili che producono il polline, e i suoi carpelli, gli organi femminili che producono frutti e semi, è una struttura delicata e facilmente danneggiabile.
Se la pianta fiorisce troppo presto nella stagione c’è il rischio di lesioni da freddo o biomassa insufficiente per sostenere molti fiori e se fiorisce troppo tardi nella stagione la pianta non può completare il suo ciclo di crescita e riproduzione. Tuttavia, poiché le temperature medie invernali aumentano a causa del riscaldamento globale, le piante fioriscono sempre prima nella stagione. Uno degli attori di questa fioritura precoce è il complesso serale, potente repressore della crescita e della fioritura.
Il “complesso serale”, il grande conduttore della fioritura
Il “complesso serale” è una parte essenziale dell’orologio circadiano delle piante. Come suggerisce il nome, è attivo di notte e controlla molti geni importanti per il funzionamento dell’orologio circadiano e lo sviluppo della pianta. Il complesso serale è costituito da tre diverse proteine, che interagiscono tra loro, formando un complesso attivo che sopprime i geni della crescita e della fioritura.
Le proteine vengono prodotte nelle cellule vegetali al tramonto, il complesso si forma e si lega al DNA in ogni cellula che esprime il complesso, determinando una crescita delle piante “soppressa” durante la notte. Durante il giorno, le proteine del complesso non sono più espresse e i geni inibiti durante la notte possono essere pienamente espressi e indurre la crescita delle piante. Alla sera, le tre proteine del complesso serale vengono nuovamente prodotte, continuando il ciclo dell’orologio di 24 ore.
Oltre a regolare l’orologio circadiano, il complesso serale funge anche da sensore di temperatura, adattando la funzione dell’orologio e lo sviluppo delle piante a condizioni più calde o più fredde.
Evening Complex può percepire piccoli cambiamenti di temperatura di pochi gradi e alterare di conseguenza la crescita delle piante. Il complesso serale è in grado di legarsi al DNA a temperature più basse, da circa 15℃ a 20℃, ma quando la temperatura sale, non è più in grado di assemblarsi sul DNA come complesso attivo. Di conseguenza, i geni importanti per la crescita e lo sviluppo rimangono “accesi” anche di notte quando fa caldo, accelerando la crescita e causando una fioritura precoce.
Come funziona?
Il complesso serale inibisce in particolare l’azione di una proteina chiave nella crescita e nella fioritura. A temperature troppo elevate, il complesso serale non è in grado di inibire questa proteina. Questo può quindi dare il segnale principale che dice alle piante di fiorire, attivando l’espressione del gene della fioritura, florigen.
Per capire come il complesso serale svolge le sue funzioni nella regolazione circadiana e nel rilevamento della temperatura, abbiamo studiato come si forma, come riconosce il DNA a livello molecolare e come agisce su di esso.
Abbiamo scoperto il sottile balletto tra le tre proteine del complesso serale: solo una delle tre proteine, “LUX”, si lega direttamente al DNA grazie a una particolare sequenza di amminoacidi, che si ripiega in una struttura tridimensionale in grado di riconoscere una specifica sequenza di DNA nel genoma della pianta. Questa proteina si unisce alle altre due vicine al DNA.
Usando i raggi X al sincrotrone di Grenoble, abbiamo determinato la struttura tridimensionale del LUX quando è legato al DNA. È grazie alla sua specifica struttura tridimensionale che LUX è in grado di trovare e riconoscere una breve sequenza di DNA molto specifica, costituita da 6 paia di basi, in un genoma contenente 135.000.000 di paia di basi.
Come pezzi di un puzzle, LUX e le altre due proteine si assemblano intorno a questa sequenza specifica e impediscono l’espressione dei geni vicini. Infatti le due proteine reclutate hanno funzioni diverse: una diminuisce la capacità del LUX di legarsi al DNA, mentre l’altra ripristina l’interazione con il DNA, il tutto in funzione della temperatura.
Abbiamo modificato la sequenza aminoacidica di LUX per diminuire il legame del complesso serale al DNA. Questa mutazione ha permesso alle piante di crescere più velocemente e di fiorire prima, anche a temperature più basse. Ciò indica fortemente che il complesso serale può essere reso più o meno attivo alterando la forza di legame tra LUX e DNA. La sfida ora è progettare una mutazione che aumenti la stabilità del legame tra la proteina LUX e il DNA anche a temperature elevate, risultando in un complesso serale più attivo e piante meno sensibili alle temperature più calde.
Perché è così importante comprendere i meccanismi molecolari del rilevamento della temperatura?
Molte piante coltivate mostrano “termomorfogenesi“, il che significa che la temperatura altera l’architettura, lo sviluppo e la crescita delle piante. La fioritura precoce è una delle conseguenze più evidenti di temperature di crescita più elevate e può portare a una diminuzione della biomassa, del numero di semi o di frutti più piccoli.
Le piante si sono evolute con il loro ambiente nel corso dei millenni, ottimizzando le loro possibilità di sopravvivenza grazie alla riuscita produzione di semi vitali. A causa del cambiamento climatico, il delicato equilibrio tra luce sufficiente e temperatura sufficientemente elevata per una crescita ottimale viene alterato più rapidamente di quanto le piante possano adattarsi, il che significa che ci troviamo di fronte a una sicurezza alimentare incerta.
Comprendere come i segnali di temperatura vengono percepiti dall’orologio circadiano delle piante apre la possibilità di modificare la loro risposta ai cambiamenti ambientali. Se riuscissimo a far legare meglio il complesso serale al DNA, potremmo rallentare l’orologio interno delle piante, al fine di adattare la crescita e l’entrata in riproduzione a condizioni più calde.
Autore
Stephanie Hutin, Università di Grenoble Alpes (UGA), Chloe Zubieta, Commissariato per l’energia atomica e le energie alternative (CEA)
