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Gli scienziati stanno scoprendo un meccanismo vegetale precedentemente sconosciuto e il suo impatto potrebbe essere enorme

Tramite

divisione cellulare microbiologica

La scoperta potrebbe aprire la strada allo sviluppo di colture più sostenibili in grado di resistere a condizioni ambientali più difficili.

Gli scienziati trovano questa uscita meiotica Arabidopsi è guidato dall’inibizione della traduzione mediata dal corpo P

Albert Cairó, Karel Riha ei loro colleghi hanno scoperto un meccanismo precedentemente non identificato per la riprogrammazione dell’espressione genica durante la transizione quando una cellula si differenzia in un’altra. Il meccanismo si verifica alla fine della meiosi, una divisione cellulare specializzata necessaria per la riproduzione sessuale, e consente la differenziazione delle cellule germinali e del polline.

Questo meccanismo comporta la localizzazione dinamica dei componenti regolatori essenziali nei condensati intracellulari che assomigliano a goccioline liquide. Questo processo è direttamente collegato alla produzione di semi e può aprire nuove strade per creare colture più sostenibili in grado di resistere a condizioni ambientali più difficili. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rinomata rivista scientifica Scienza.

Fiore di bruco di campo

Un fiore di bruco di campo fotografato al microscopio ottico. Credito fotografico: Istituto di tecnologia dell’Europa centrale – Università di Masaryk

Le cellule non sono cose statiche; cambiano da un tipo all’altro. L’attivazione di una specifica raccolta di geni influisce sul modo in cui le cellule si specializzano per svolgere compiti specifici e quando si dividono o si differenziano. Biologi cellulari come Albert Cairó e Karel Riha utilizzano una combinazione di sofisticati metodi scientifici per studiare il micromondo della pianta. La biologia cellulare sta subendo una rivoluzione, espandendo la prospettiva tradizionale dell’organizzazione cellulare a nuovi orizzonti.

“Ora sappiamo che la cellula contiene non solo organelli convenzionali delimitati da una membrana, ma che molti processi molecolari sono incapsulati in organelli privi di membrana meno definiti, chiamati anche condensati biomolecolari (biocondensati). Negli ultimi dieci anni si è cominciato a riconoscere l’importanza di questi biocondensati. Stiamo ora contribuendo a quest’area mostrando come un tipo specifico di biocondensato si formi alla fine della meiosi e inibisca la sintesi proteica”, spiega Albert Cairó, il primo autore di questa ricerca.

“Da un lato, questo pone fine ai processi meiotici, ma dall’altro segna l’inizio di una generazione di cellule geneticamente diverse”, aggiunge Cairó. Ma non è tutto. Il team di ricerca ritiene che meccanismi analoghi siano all’opera anche in altri organismi e ambienti cellulari, inclusa la differenziazione cellulare o le risposte allo stress.

La scoperta dei membri del laboratorio di Karel Riha potrebbe avere enormi implicazioni sociali.

Albert Cairo e Karel Riha

Albert Cairo e Karel Riha. Credito fotografico: Istituto di tecnologia dell’Europa centrale – Università di Masaryk

“Viviamo in un’emergenza climatica. Sebbene le piante possano combattere una varietà di stress, comprese le alte temperature e la siccità, il loro sviluppo e la loro riproduzione possono risentirne gravemente. Ciò significa che corriamo il rischio di ridurre drasticamente i raccolti proprio quando i raccolti devono essere aumentati per soddisfare i bisogni umani. Ed è per questo che la ricerca sulle piante dovrebbe ora essere una delle priorità”, spiega l’autore corrispondente e leader del gruppo di ricerca Karel Riha.

Il compito principale del laboratorio è chiarire i processi biologici fondamentali strettamente legati alla riproduzione delle piante e alla formazione dei semi, che si traducono in rese in molte colture.

“I risultati della ricerca indicano che i condensati biomolecolari svolgono un ruolo importante nella fertilità delle piante e il loro comportamento è probabilmente correlato allo stress ambientale. È quindi evidente che la nostra scoperta è il primo passo verso lo sviluppo di nuove soluzioni che portino a una produzione agricola sostenibile in condizioni più difficili”, spiega Albert Cairó.

Gli approcci ingegneristici che il team ha dovuto intraprendere sono davvero ammirevoli e la pubblicazione di questa ricerca in Scienza È rassicurante che il laboratorio di Riha stia andando nella giusta direzione.

Il percorso della scoperta

Studio della meiosi nella pianta modello Arabidopsis thaliana è particolarmente impegnativo. Il team di ricerca si è concentrato su cellule straordinarie e rare nascoste in piccoli boccioli di fiori di 0,1-0,4 mm. Inoltre, le fasi della divisione meiotica, su cui si concentra lo studio, sono rapide: l’intero processo richiede dalle cinque alle sei ore. Pertanto, non sono facili da afferrare. Per studiare questo processo, il team di ricerca deve utilizzare tecnologie all’avanguardia e una dose significativa di creatività e immaginazione.

Il team di Riha ha dovuto creare le condizioni per l’imaging dal vivo della divisione meiotica nell’antera (la parte dello stame contenente il polline). Il team ha utilizzato la microscopia avanzata ed è diventato uno dei due soli laboratori al mondo in grado di osservare dal vivo la meiosi delle piante. Un altro know-how essenziale acquisito dal team è stata la padronanza della tecnologia dei protoplasti. I protoplasti sono cellule vegetali isolate che sono state private della parete cellulare circostante, rendendole facili da manipolare geneticamente e visualizzarle al microscopio. Questa tecnologia ha consentito al team di risolvere alcuni problemi in modo più rapido ed efficiente rispetto alle cellule meiotiche.

Anna Vargova ha dato un contributo significativo alla comprensione del complesso meccanismo appena descritto. Pavlina Mikulkova ha fornito esperienza e aiutato con l’imaging cellulare vivo della meiosi utilizzando il microscopio a foglio luminoso. Il gruppo di ricerca è stato supportato dalla CEITEC Core Facility CELLIM e dalla Plant Sciences Core Facility. La ricerca è durata più di otto anni ed è stata finanziata dal progetto di sovvenzione REMAP del Ministero ceco dell’Istruzione per i giovani e lo sport. “Sarebbe estremamente difficile sviluppare un progetto così complesso senza i finanziamenti a lungo termine di cui disponiamo. In effetti, a un certo punto sembrava che i nostri limiti fossero solo la nostra immaginazione, e credo che questo sia stato fondamentale per la nostra scoperta di vasta portata”, afferma Albert Cairó.

Riferimento: “Uscita meiotica in Arabidopsi è guidato dall’inibizione della traduzione mediata dal corpo P” di Albert Cairo, Anna Vargova, Neha Shukla, Claudio Capitao, Pavlina Mikulkova, Sona Valuchova, Jana Pecinkova, Petra Bulankova e Karel Riha, 4 agosto 2022, Scienza.
DOI: 10.1126/science.abo0904

È interessante notare che questo progetto non ha comportato alcuna collaborazione esterna, cosa insolita per istituti di ricerca internazionali come CEITEC. In questo caso, il gruppo di ricerca ha preso una direzione completamente nuova e la ricerca è stata completata esclusivamente dai membri del gruppo di ricerca di Karel Riha.

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