Quando le piante sono soggette a situazioni di stress, come malattie, sbalzi termici estremi, carenza di nutrienti o acqua, la concentrazione di ossigeno nelle cellule vegetali diminuisce, inducendo uno stato noto come ipossia. Ciò innesca una cascata di reazioni chimiche nelle cellule che mirano a consentire all’organismo di sopravvivere alle avversità.
In uno studio pubblicato sulla rivista Current Biology, i ricercatori hanno dimostrato che una proteina presente nella membrana interna dei mitocondri vegetali – UCP1 (mitochondrial uncoupling protein 1) – è l’innesco che innesca questa risposta all’ipossia. La scoperta, secondo gli autori, apre la strada allo sviluppo di piante più resistenti alle condizioni ambientali estreme, come quelle derivanti dai cambiamenti climatici.
Meccanismo attivato
Le proteine di disaccoppiamento si trovano nella membrana interna dei mitocondri delle cellule animali e vegetali e hanno una funzione associata alla respirazione cellulare e alla produzione di energia. Tuttavia, quando l’organismo è sottoposto a stress, la concentrazione di ossigeno nelle cellule diminuisce e si attiva un meccanismo di sopravvivenza. La scoperta di sensori di ossigeno nelle cellule umane che attivano la risposta all’ipossia è valsa il Premio Nobel a William Kaelin Jr., Sir Peter Ratcliffe e Gregg Semenza nel 2019. La ricerca su come funziona la risposta all’ipossia nelle cellule umane ha guidato studi volti allo sviluppo di cure per diverse malattie, compreso il cancro.
Come spiegano i ricercatori, i meccanismi che controllano la segnalazione dell’ossigeno negli esseri umani e nelle piante hanno importanti somiglianze nella loro modalità d’azione, ma non sono controllati dalle stesse proteine.
Un altro fatto già noto alla scienza in relazione all’UCP1 dalle cellule animali è l’abbondanza di questa proteina nei mitocondri del tessuto adiposo bruno dei mammiferi in letargo, come gli orsi polari. In questo caso, la proteina agisce per regolare la temperatura di questi animali, aiutandoli a produrre energia sotto forma di calore e mantenendoli al caldo durante il letargo invernale. Nel caso del metabolismo delle piante, l’UCP1 sembra svolgere un ruolo più importante di quanto si pensasse in precedenza. Era già nota la sua partecipazione alla risposta delle piante a situazioni di siccità, freddo e scarsità di nutrienti.
Tolleranza allo stress
I ricercatori hanno notato che le piante di tabacco, quando producono alti livelli di UCP1, mostravano un’elevata espressione di geni reattivi allo stress, compresi i fattori di trascrizione coinvolti nella risposta all’ipossia. Queste piante sono diventate tolleranti agli stress ambientali, hanno mostrato un aumento del tasso di fotosintesi e un aumento della pezzatura dei frutti.
In questo nuovo lavoro, gli scienziati hanno dimostrato che l’UCP1 funziona come un interruttore nella catena delle risposte metaboliche correlate alla risposta all’ipossia. La proteina agisce su un gruppo specifico di fattori di trascrizione che hanno l’aminoacido cisteina a un’estremità.
Oltre a far progredire la conoscenza sulle funzioni dell’UCP1, la scoperta apre la strada allo sviluppo di colture agricole tolleranti agli stress imposti dai cambiamenti climatici. Ma porta anche alla luce un’indicazione che le funzioni di UCP1 in altri eucarioti, come gli esseri umani, sono più ampie di quanto si pensasse in precedenza.
La sfida per la scienza d’ora in poi è capire se questa ampia risposta all’ipossia correlata all’UCP1 nelle piante sia presente anche negli animali e come sia coinvolta, ad esempio, nello sviluppo del cancro.
