Come le piante affrontano lo stress: Le piante rispondono ai rischi ambientali "etichettando" le molecole di RNA di cui hanno bisogno per resistere alle condizioni di siccità, secondo un nuovo studio

Il futuro sembra impegnativo per le piante. Si prevede che il cambiamento climatico porterà una siccità diffusa in parti del pianeta già alle prese con condizioni di siccità. Per mitigare gli effetti potenzialmente devastanti per l'agricoltura, i ricercatori stanno cercando strategie per aiutare le piante a resistere a rischi ambientali estremi, inclusi siccità e stress salino, un problema aggravato quando l'acqua irrigua passa attraverso il terreno, depositando sali che possono essere assorbiti dalle radici delle piante, abbassando la loro produttività complessiva.

Un consiglio è guardare ai modi in cui le piante si sono evolute naturalmente per far fronte a stress come l'eccesso di sale. In un nuovo studio in uscita Rapporti cellulari, ricercatori guidati da Università della Pennsylvania biologo Brian D. Gregorio e lo studente laureato Stephen J. Anderson ha identificato un meccanismo che potrebbe essere potenzialmente manipolato per sviluppare colture più tolleranti al sale.

Il loro lavoro mostra che un minuscolo tag sulle molecole di RNA, le trascrizioni che vengono tradotte per produrre proteine, serve a stabilizzare e proteggere questi filamenti di materiale genetico. Quando le piante sono esposte a condizioni di alta salinità, il marchio RNA N⁶-metiladenosina, o m⁶UN, previene la scomposizione delle trascrizioni che codificano per le proteine ​​che aiutano le piante ad affrontare in modo più efficace le condizioni difficili.

“Questo è il modo in cui aiuteremo gli agricoltori," dice Gregorio, un professore associato di biologia nel Scuola di Arti e Scienze, e l'autore senior sulla carta. “Dobbiamo identificare i modi in cui possiamo realizzare piante più resistenti al sale e alla siccità, e manipolare questo percorso potrebbe essere un modo per farlo.

Affinché un organismo produca qualsiasi proteina, deve prima possedere il corrispondente filamento di RNA messaggero (mRNA). Ma non tutti gli mRNA si trasformano in proteine, alcuni vengono degradati prima di raggiungere quello stadio. Negli ultimi anni, sia i biologi dei mammiferi che quelli delle piante hanno prestato attenzione al m⁶Un segno come attore nel processo mediante il quale gli mRNA vengono presi di mira per tenersi in giro o distruggere.

"C'è stata un'esplosione di interesse per questo marchio,” dice Gregorio. "Si è scoperto che è la modifica interna più abbondante nell'mRNA".

Nei mammiferi, la maggior parte della ricerca punta al marchio che etichetta l'mRNA per la distruzione. E, mentre alcuni studi hanno suggerito che potrebbe funzionare allo stesso modo nelle piante, Gregorio, Anderson e colleghi volevano avere una visione più globale.

Analizzare le foglie da mature Arabidopsi, i ricercatori hanno identificato a livello globale m⁶A nelle piante normali così come in quelle in cui l'enzima che aggiunge m⁶A era stato eliminato, impoverendo così sperimentalmente il marchio.

Hanno scoperto che le trascrizioni che erano abbondanti quando contrassegnate da m⁶A nelle piante normali erano molto più basse nel m⁶Piante mutanti con impoverimento di A, segno che il marchio agiva in una capacità protettiva di stabilizzare le trascrizioni.

Confrontando da vicino le piante normali e quelle mutanti, il team ha scoperto che m⁶UN, quando presente, protetto le trascrizioni impedendo a un enzima di degradarle. Quando questo segno mancava, le trascrizioni sono state scisse e successivamente degradate.

“È stato un po' fortuito," dice Anderson, "ma si è scoperto che questa destabilizzazione si stava verificando proprio accanto a dove avrebbero dovuto essere questi segni ma non erano nel gruppo sperimentale di piante".

Il passo successivo è stato chiedersi perché le piante potrebbero aver sviluppato questo meccanismo in primo luogo. I ricercatori hanno avuto indizi che m⁶Un'etichettatura potrebbe essere coinvolta nella risposta allo stress, a giudicare dai geni colpiti tra le piante normali e mutanti. Ma, per metterlo alla prova, coltivavano piante in un terreno molto salato e ripetevano i loro esperimenti.

Il trattamento al sale, Hanno scoperto, indotto le piante ad apporre più m⁶Un segno sulle trascrizioni di mRNA associate alla risposta allo stress salino, così come lo stress da siccità. In altre parole, le piante si stavano attrezzando per affrontare una sfida ambientale.

“Questo dà alle piante un meccanismo dinamico e davvero potente per regolare la risposta allo stress,” dice Gregorio. "Puoi spostare questo segno sulle trascrizioni che vuoi conservare."

“Ci sono anche prove,” dice Anderson, “che le piante potrebbero essere in grado di rimuovere attivamente il segno dalle trascrizioni di cui non hanno bisogno. Stiamo ancora studiando quel meccanismo".

"Questo lavoro,” dice Karen Cone al Fondazione Nazionale delle Scienze, che ha finanziato la ricerca, "fornisce una nuova entusiasmante comprensione di come le informazioni genomiche interagiscono con i segnali dell'ambiente per produrre risultati benefici per l'organismo. I risultati promettono di aprire la porta a future scoperte su come gli organismi utilizzino meccanismi basati sull'RNA per mantenere la robustezza e l'adattabilità di cui hanno bisogno per sopravvivere di fronte agli ambienti mutevoli, una scoperta che è direttamente rilevante per una delle NSF 10 Grandi idee, Comprendere le regole della vita: Fenotipo predittivo.”

In ulteriori esperimenti di follow-up, Il laboratorio di Gregory esaminerà il coinvolgimento di questo marchio in altre situazioni stressanti per le piante, come quando sono soggetti a danni da organismi come batteri o funghi. Gregory e colleghi hanno anche in programma di condurre esperimenti su specie vegetali importanti per l'agricoltura, come la soia.

Ulteriori studi potrebbero anche aiutarli a concentrarsi sul meccanismo con cui le piante attaccano questo segno alle trascrizioni, aiutare nello sviluppo di strategie per l'ingegneria degli impianti che possono resistere meglio alle difficili condizioni poste dalla siccità.