I cambiamenti climatici stanno mettendo in crisi l’agricoltura e in molte regioni del mondo sia temperate che aride, la siccità sta provocando gravi perdite ai raccolti.
Ma non tutte le piante soffrono allo stesso modo gli effetti della siccità: una comune infestante Portulaca oleracea, nota anche come Portulaca o “erba porcellana”, combina due diverse vie metaboliche per produrre un tipo di fotosintesi che le consente di resistere alla siccità pur rimanendo estremamente produttiva.
Articolo pubblicato su Terra e Vita 36/2022
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Lo affermano gli scienziati della Yale University che hanno recentemente pubblicato i loro risultati sulla rivista “Science Advances”. «La Portulaca –afferma Erika Edwards, docente di ecologia e biologia evolutiva – ha una combinazione di tratti molto rara che ha creato una sorta di super pianta, che potrebbe essere potenzialmente utile in attività di miglioramento genetico delle colture».
C4 più Cam
Le piante, infatti, nel corso della loro evoluzione hanno sviluppato una serie diversificata di processi per migliorare la fotosintesi, il processo mediante il quale le piante verdi utilizzano la luce solare per sintetizzare i nutrienti dall’anidride carbonica e dall’acqua. Il mais e la canna da zucchero, ad esempio, hanno sviluppato la fotosintesi di tipo C4, che consente alla pianta di rimanere produttiva alle alte temperature.
Le piante grasse, come cactus e agavi, hanno un altro tipo di fotosintesi noto come fotosintesi CAM, che consente loro di vivere nei deserti e in altre regioni aride. C4 e CAM hanno funzioni diverse, ma entrambi utilizzano lo stesso percorso biochimico e agiscono come “componenti aggiuntivi” alla fotosintesi convenzionale.
La portulaca è unica in quanto mostra entrambi questi adattamenti evolutivi, cosa che le consente di essere molto produttiva con alte temperature ma anche tollerante alla siccità, una combinazione molto rara fra le piante. La maggior parte degli scienziati presumeva che C4 e CAM operassero indipendentemente all’interno delle foglie di portulaca.
Ma il team di ricercatori di Yale, mediante un’analisi spaziale dell’espressione genica all’interno delle foglie della portulaca, ha scoperto che l’attività di C4 e CAM è totalmente integrata. Operano nelle stesse cellule, con i prodotti delle reazioni CAM elaborati dalla via metabolica C4. Questo sistema fornisce livelli di protezione elevati per una pianta C4 in periodi di siccità.
Più efficienza idrica
I ricercatori sono riusciti anche a costruire modelli di flusso metabolico che prevedono l’emergere di un sistema integrato C4+CAM che rispecchia i loro risultati sperimentali. Hanno scoperto che la capacità di immagazzinamento vacuolare in una foglia è un fattore importante che limita l’efficienza dell’uso dell’acqua durante la CAM, e che le condizioni ambientali modellano il verificarsi di diverse fasi del ciclo della CAM.
«C’è ancora molto lavoro da fare prima che si possa “creare” un ciclo CAM in un pianta a C4, come il mais – afferma Edwards – ma quello che abbiamo dimostrato è che i due percorsi possono essere integrati in modo efficiente ed è possibile condividerne i prodotti». «La vera scoperta – continua – è che C4 e CAM sono più compatibili di quanto pensassimo, il che ci porta a pensare che ci siano molte altre specie vegetali che combinano C4+CAM, in attesa di essere scoperte».
Convergenza evolutiva
In natura ciascun sistema metabolico potrebbe evolversi sotto diverse pressioni di selezione, poiché i vantaggi del sistema CAM consistono principalmente nell’aumentare l’efficienza nell’uso dell’acqua, mentre gli impianti C4 sfruttano gli ambienti ad alta luminosità e l’acqua disponibile stagionalmente per ottenere una crescita rapida e un’elevata produttività.
Entrambi i sistemi fotosintetici mostrano una notevole convergenza evolutiva. Il tipo C4 si è evoluto almeno 60 volte e le specie a carbonio C4 includono alcune delle piante più produttive sulla Terra, che comprendono fino al 30% della produttività primaria lorda terrestre e includono diverse colture essenziali come mais e sorgo. Sebbene il numero delle piante a carbonio CAM sia meno noto, si ipotizza che sia superiore al tipo C4 e che alcune forme di metabolismo delle piante a CAM possano essere anche dominanti nella varietà degli ecosistemi.
La chiave per affrontare siccità prolungate
Nonostante il gran numero di origini indipendenti sia di C4 che di CAM, per la maggior parte i ceppi vegetali tendono ad evolvere in un meccanismo di concentrazione del carbonio (CCM) o nell’altro. Portulaca oleracea è stata la prima pianta C4 conosciuta che opera anche un ciclo CAM facoltativo (C4+CAM) in risposta alla siccità o ai cambiamenti del fotoperiodo. La piena integrazione dei due cicli in modo che entrambi operino nella stessa popolazione di cellule del mesofillo fotosintetico, sembrava non plausibile per diverse ragioni:
- l’insieme condiviso di enzimi avrebbe avuto bisogno di esprimersi in diversi momenti della giornata e in diverse cellule, creando un sostanziale conflitto di regolazione.
- L’attività degli enzimi RuBisCO (per CAM) e PEPC (per C4) nelle stesse cellule del mesofillo durante il giorno comporterebbe una futile competizione per la CO2 e il ciclo metabolico.
- I requisiti anatomici per l’ottimizzazione di ciascun sistema metabolico sono distinti e potenzialmente antagonisti.
Articolo pubblicato su Terra e Vita 36/2022
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I risultati ottenuti hanno rivelato non solo che il potenziale di risparmio idrico della fotosintesi CAM dipende fortemente dall’ambiente, con l’ambiente diurno più importante di quello notturno, ma anche che modalità metaboliche alternative, distinte da quelle del ciclo CAM naturale, possono essere benefiche in determinate condizioni come nei i giorni più brevi con temperature meno estreme. Questi studi forniscono preziose informazioni che aiuteranno a prepararci per le sfide della coltivazione di colture alimentari in ambienti temperati sempre più caldi e asciutti aiutando colture come il mais a sopportare una siccità prolungata, comprendendo meglio il nuovo percorso metabolico della pianta.
Gli autori sono del Servizio Fitosanitario
Regione Emilia-Romagna
I vari tipi di metabolismo delle piante
La maggior parte delle piante, comprese alcune colture importanti come riso, grano, avena e orzo, utilizzano la fissazione del carbonio C3, in cui la CO2 assorbita durante il giorno attraverso i pori stomatici della foglia viene utilizzata immediatamente nelle reazioni di fotosintesi guidate dalla luce.
Sfortunatamente, in condizioni calde e secche, questo porta a una significativa perdita d’acqua attraverso questi pori. La fotosintesi C4 e del metabolismo dell’acido crassulaceo (CAM) sono due importanti adattamenti che si sono sviluppati più volte nelle piante terrestri. Entrambi agiscono come meccanismi di concentrazione del carbonio (CCM) che possono alleviare le perdite di energia causate dalla fotorespirazione, le quali possono verificarsi quando i livelli di CO2 atmosferica sono bassi, la temperatura interna delle foglie è elevata o la conduttanza stomatica delle piante viene ridotta, ad esempio, a causa dello stress idrico. Entrambi i meccanismi, impiegano un insieme condiviso dei principali enzimi metabolici presenti in tutte le piante, ma differiscono nel modo in cui isolano e creano un ambiente arricchito di CO2 attorno alla ribulosi-1,5-bisfosfato carbossilasi-ossigenasi (RuBisCO), l’enzima che fissa la CO2 atmosferica in zuccheri attraverso il ciclo di Calvin.
Nel metabolismo del C4, la fosfo-enol-piruvato (PEP) carbossilasi (PEPC) interagisce dapprima con la CO2 disciolta nelle cellule del mesofillo per formare una molecola temporanea a quattro atomi di carbonio, in particolare malato o aspartato. Queste molecole vengono quindi trasportate alle cellule della guaina interna del fascio dove vengono decarbossilate, elevando le concentrazioni di CO2 a livelli che saturano l’enzima RuBisCO. Lì, la CO2 entra nel ciclo di Calvin e viene assimilata nei carboidrati prodotti.
I vantaggi dell’asincronismo
Quello di tipo C4 è essenzialmente un sistema fotosintetico a due cellule temporalmente sincrono, con compartimenti separati per PEPC e RuBisCO, che si traduce nel fatto che le piante a C4 ottengono i più alti tassi di attività fotosintetica. Nelle piante CAM, gli stomi si aprono e la fissazione della CO2 da parte dell’enzima PEPC avviene durante la notte.
Il malato a quattro atomi di carbonio viene conservato durante la notte sotto forma di acido malico nei vacuoli delle cellule del mesofillo. Durante il giorno, gli stomi si chiudono, il malato esce dal vacuolo per la decarbossilazione e la CO2 viene rilasciata e assimilata dal ciclo di Calvin nella stessa cellula.
Pertanto, il sistema fotosintetico tipo CAM è un sistema unicellulare temporalmente asincrono, con la cattura iniziale del carbonio da parte del PEPC che si verifica di notte ma con l’eventuale assimilazione di RuBisCO e la produzione di carboidrati, che si verificano durante il giorno nella stessa cellula. Il comportamento stomatico invertito di tipo CAM fornisce una maggiore efficienza nell’uso dell’acqua evitando la perdita di questa attraverso gli stomi durante le ore più calde diurne.
C’è anche una notevole variabilità nel grado di espressione del sistema fotosintetico CAM: molte specie lo usano come metabolismo primario, ma forse più comunemente è un sistema CAM facoltativo, in cui le piante operano un metabolismo di tipo C3 ma utilizzano il sistema CAM facoltativamente come risposta allo stress ["C3+ CAM”].
