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Se gli esseri umani potessero “parlare” con le piante, potrebbero, per esempio, avvertirle dell’avvicinarsi di attacchi di parassiti o condizioni meteorologiche estreme. Un team di scienziati vorrebbe trasformare questa fantasia in realtà, ma usando un “linguaggio” particolare.
Un team di scienziati del Sainsbury Laboratory Cambridge University (SLCU) vorrebbe cercare di comunicare con le piante usando messaggi basati sulla luce per “parlare” alle piante.
I primi esperimenti di laboratorio con il tabacco (Nicotiana benthamiana) hanno dimostrato che possono attivare il meccanismo di difesa naturale della pianta (risposta immunitaria) usando la luce come stimolo (messaggero).
La luce serve come mezzo universale di comunicazione quotidiano, ad esempio la segnalazione ai semafori, agli attraversamenti pedonali o lo stato di apertura-chiusura di un negozio.
Il team di ricerca di Alexander Jones sta usando la luce come messaggero nello sviluppo di strumenti che consentono alle piante di comunicare con gli esseri umani e agli esseri umani di comunicare con le piante.
Il team dell’Università di Cambridge ha precedentemente progettato una serie di biosensori utilizzando la luce fluorescente per comunicare visivamente in tempo reale ciò che sta accadendo a livello cellulare nelle piante, rivelando le dinamiche degli ormoni vegetali critici.
Questi biosensori possono dirci come le piante stanno reagendo agli stress ambientali, un po’ proprio come se le piante “parlassero” agli esseri umani.
La loro ultima ricerca pubblicata su PLOS Biology, descrive un nuovo strumento chiamato Highlighter, che utilizza specifiche condizioni di luce per attivare l’espressione di un gene bersaglio nelle piante, ad esempio per innescare i loro meccanismi di difesa.
Il concetto di esseri umani in grado di comunicare con le piante a un livello significativo ha catturato a lungo l’immaginazione delle persone. Se tale capacità fosse possibile, potrebbe rivoluzionare l’agricoltura e il nostro rapporto con le piante.
“Se potessimo avvertire le piante di un’imminente epidemia o attacco di parassiti, le piante potrebbero quindi attivare i loro meccanismi di difesa naturali per prevenire danni diffusi”, ha detto il dottor Jones. “Potremmo anche informare le piante sull’avvicinarsi di eventi meteorologici estremi, come ondate di calore o siccità, consentendo loro di regolare i loro modelli di crescita o conservare l’acqua. Ciò potrebbe portare a pratiche agricole più efficienti e sostenibili e ridurre la necessità di sostanze chimiche”.
Bo Larsen, che ha progettato Highlighter mentre era alla SLCU, ha consentito di fare un passo importante verso l’obiettivo di “parlare” alle piante, creando un sistema di espressione genica controllato dalla luce (sistema optogenetico) da un sistema procariotico a un sistema eucariotico, su misura per le piante.
L’optogenetica può portare luce ai processi biomolecolari nelle piante
Per comprendere l’attività cellulare i biologi devono essere in grado di controllare i processi biomolecolari a livello cellulare.
L’optogenetica è una tecnica scientifica che utilizza uno stimolo luminoso per attivare o disattivare un processo specifico.
“Gli stimoli luminosi sono economici, reversibili, non tossici e possono essere forniti ad alta risoluzione”, ha detto il dottor Jones.
Per fare questo, gli scienziati progettano proteine sensibili alla luce (fotorecettori) per controllare un processo bersaglio e quindi fornire questi “attuatori” optogenetici alle cellule che vogliono controllare.
L’optogenetica ha rivoluzionato molti campi, tra cui le neuroscienze, in cui i biologi possono isolare le funzioni dei singoli neuroni.
Tuttavia, l’optogenetica è stata difficile da applicare alle piante. Questo perché le piante contengono già molti fotorecettori e hanno bisogno di un ampio spettro di luce per crescere.
Il passaggio dal buio alla luce attiva anche i fotorecettori nativi delle piante e una miriade di sistemi cellulari.
Ad aggravare questo problema è il fatto che molti degli attuatori optogenetici più performanti utilizzano parti genetiche delle piante, il che significa che potrebbero dialogare con i fotorecettori nativi.
L’evidenziatore è uno strumento optogenetico per le piante
Quando viene utilizzato nelle piante, Highlighter utilizza segnali luminosi minimamente invasivi per l’attivazione e l’inattivazione e non è influenzato dal ciclo luce-buio nelle camere di crescita.
L’attuale sistema Highlighter è inattivo in condizioni di luce blu e attivo al buio e in condizioni di luce bianca, luce verde e luce rossa.
Sono previsti ulteriori lavori per far progredire lo sviluppo di Highlighter, ma il team ha già dimostrato il controllo optogenetico sull’immunità delle piante, sulla produzione di pigmenti e su una proteina fluorescente gialla, quest’ultima a risoluzione cellulare.
“L’evidenziatore è un importante passo avanti nello sviluppo di strumenti di optogenetica nelle piante e il suo controllo genico ad alta risoluzione potrebbe essere applicato per studiare una vasta gamma di domande fondamentali di biologia vegetale”.
“Una cassetta degli attrezzi in crescita per le piante, con diverse proprietà ottiche, apre anche interessanti opportunità per il miglioramento delle colture. Ad esempio, in futuro potremmo usare una condizione di luce per innescare una risposta immunitaria, e poi una condizione di luce diversa per cronometrare con precisione un particolare tratto, come la fioritura o la maturazione”.
