La belle verteLa belle verte - Questo blog vuole essere uno spazio di libera discussione sulla mia passione, nonché lavoro: il verde, silenzioso e sessile mondo vegetale e le sue relazioni con il suolo e l'ambiente. Siete tutti invitati!
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Set
20
2020
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In arrivo…

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Ago
30
2020
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In vivo et in silico

 

Come ho più volte scritto in molti articoli di questo blog (vedete qui), le piante interagiscono con molti microorganismi (soprattutto batteri e funghi) in modo reciprocamente vantaggioso (simbiosi mutualistica). Recentemente, i ricercatori dell’Argonne National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti hanno scoperto un modo per ottenere nuove informazioni su queste interazioni utilizzando un dispositivo di nuova concezione: un chip inciso con minuscoli canali (vedi qui per l’articolo originale open access pubblicato su Frontiers in Plant Sciences). Questo dispositivo può fornire informazioni preziose per scoprire modi migliori per promuovere la crescita delle piante, selezionare colture resistenti alla siccità o ad altri stress ambientali, risanare l’ambiente e persino aumentare la produzione di materie prime bioenergetiche.

In particolare, le interazioni radice-microorganismi, proprio perché avvengono nel suolo, rappresentano una sfida per i ricercatori, i quali cercano di osservare l’adesione dei microbi sulla superficie radicale e lo scambio di nutrienti tra pianta e microorganismi. Per aggirare questa sfida, è stato di solito analizzato l’ambiente intorno alle radici coltivando piante in vaso, tra lastre di vetro o in piastre di agar, per poi osservare i cambiamenti fisici delle radici e le interazioni microbiche, ma solo dopo aver “sacrificato” la pianta. Tuttavia, il modo ideale per monitorare le relazioni tra le radici delle piante e i microrganismi che le circondano nella rizosfera, la regione di suolo ricca di nutrienti che circonda la radice stessa della pianta, sarebbe osservare queste interazioni mentre si verificano, e soprattutto per lunghi periodi e ad alta risoluzione. Per questo scopo, i ricercatori della divisione Biosciences di Argonne, insieme agli scienziati del Center for Nanoscale Materials di Argonne, hanno sviluppato un chip RMI (dove “RMI” sta per Interazioni Radici-Microorganismi): un minuscolo dispositivo che consente a piccole quantità di fluido di scorrere attraverso microcanali e percorsi scolpiti su un chip che misura solo pochi centimetri quadrati.

“I canali vengono creati tramite litografia, un approccio per la fabbricazione di strutture 3-D utilizzando materiali morbidi”, ha detto Gyorgy Babnigg, un bioinformatico e biologo molecolare che ha co-sviluppato il dispositivo. Babnigg e i suoi colleghi hanno utilizzato questa tecnica per creare uno stampo negativo del loro dispositivo. Hanno quindi versato una plastica simile al silicone sullo stampo e lo hanno riscaldato, facendolo indurire, quindi lo hanno rimosso dallo stampo. Successivamente, i ricercatori hanno praticato dei fori nel materiale per formare ingressi e uscite e, infine, lo hanno fuso con un pezzo di vetro coprioggetto, di quelli usati in microscopia, in modo da poter osservare cosa stava accadendo all’interno dei canali mediante un microscopio.

Dispositivi microfluidici come quello che Babnigg e il suo team hanno creato sono stati recentemente utilizzati dai ricercatori per studiare le interazioni tra radici e microbi, anche se esclusivamente in piante piccole e a un ciclo breve, come Arabidopsis thaliana. Il dispositivo progettato ad Argonne è stato però il primo ad essere utilizzato anche su piante legnose in vivo. Il team di Argonne ha scelto di utilizzare il proprio dispositivo per analizzare alberi Populus tremuloides, della famiglia delle Salicacee; un albero deciduo resistente e a crescita rapida nonché la specie arborea più ampiamente distribuita in Nord America. Hanno iniziato coltivando i semi del pioppo, ottenendo le piantine che quindi hanno trapiantato nei singoli canali del loro chip.

“A differenza di altri studi più brevi, siamo stati in grado di capire tutto l’impianto idraulico per far crescere le piantine nel chip per diverse settimane”, ha detto Babnigg. “Ci è voluto un po’ di tempo. Non abbiamo dovuto trasferire le punte delle radici nel chip, ma poi abbiamo dovuto aspettare che le radici raggiungessero l’ingresso dove scorrevano i nutrienti e poi aspettare un’altra settimana prima di poter aggiungere i microorganismi al sistema.” Questi ultimi sono stati ingegnerizzati dai ricercatori per essere fluorescenti (con colori unici e quindi facilmente identificabili), il che ha consentito di distinguere il loro comportamento al microscopio. Facendo scorrere continuamente una semplice soluzione salina attraverso il sistema per supportare la crescita delle piantine, queste hanno trattenuto i nutrienti necessari per la crescita dei microorganismi. Ciò significava che, affinché i microorganismi potessero sopravvivere, avrebbero dovuto nutrirsi sulle radici delle piante. Progettare il loro esperimento in questo modo ha permesso ai ricercatori di distinguere se le interazioni simbiotiche, come i microrganismi che assorbono i nutrienti trasudati dalla radice della pianta o il rilascio di composti – come il fosforo e gli ormoni vegetali – che regolano il movimento della radice, fossero osservabili. Per settimane, i ricercatori hanno studiato di continuo al microscopio come diversi tipi di microorganismi crescevano e interagivano con le radici vive, scoprendo che, in assenza di nutrienti esterni, i microorganismi aderivano alla superficie delle radici e utilizzavano gli essudati radicali (le sostanze secrete dalle radici) per crescere.

“Abbiamo osservato comportamenti particolari dei batteri sulle radici, dall’allineamento dei batteri alla formazione di biofilm densi”, ha detto Marie-Francoise Noirot-Gros, microbiologa e autrice di Argonne. “Abbiamo visualizzato tutte queste interazioni mentre la pianta era ancora viva”, ha detto Babnigg. “La nostra capacità di farlo utilizzando il nostro dispositivo e nel corso di diverse settimane è ciò che distingue questo lavoro”. L’aspetto interessante del lavoro, a mio parere, non è solo l’interazione pianta-microorganismi, ma l’interazione pianta-microorganismi-chip, un vero e proprio sistema trifasico in vivo e in silico. Esempi di questo genere sono ormai diffusi (vedete in questo video il chip Neuralink per misurare l’attività neuronale, qui applicato sui maiali; oppure qui la futuristica embedding technology che forse un giorno sarà applicato sugli esseri umani). Per non parlare dei chip per studi medici sul microbioma intestinale o della pelle o, ancora gli organ-on-chip (OOC) che simulano le attività, la meccanica e la risposta fisiologica di interi organi o sistemi di organi, rappresentando pertanto un modello in vitro di organo artificiale. Siamo ancora all’inizio!

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Lug
31
2020
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Passione estiva

Passiflora edulis: le strutture uniche di questo intricato fiore, che mi ricordano una rotatoria stradale o una pista di atterraggio per astronavi, sono visitate da numerosi impollinatori tra cui api, pipistrelli, vespe e colibrì (foto: Benson, 2012).

 

La proliferazione e l’evoluzione degli animali esercita una pressione selettiva sulle piante. La maggior parte delle piante richiede, infatti l’ausilio degli animali per la dispersione dei loro semi e l’impollinazione dei fiori. Nel corso di milioni di anni di evoluzione, gli animali hanno sviluppato importanti relazioni con le piante, dando vita a una rete interdipendente di specie vegetali e animali – insieme a numerose specie di funghi e microrganismi – che spesso dipendono le une dalle altre per la loro sopravvivenza. In linea di massima, in tutti gli habitat della biosfera terrestre, gli animali hanno trovato il modo di utilizzare le piante come fonte di cibo e di riparo e, a loro volta, le piante si sono evolute per utilizzare molte specie di animali per impollinare e disperdere i loro semi, nonché per avere protezione e cibo. Queste relazioni di coevoluzione tra piante e animali selezionano le specie che possono sopravvivere in un determinato ambiente e contribuiscono a modellare l’evoluzione degli organismi viventi sul nostro pianeta, definendo quali specie si adattano e cambiano, e quali altre invece si estinguono. Cosa ancora più importante, lo studio delle relazioni tra piante e animali ci suggerisce che la biodiversità – cioè la totalità dei diversi organismi di piante e animali, i geni che contengono e le comunità che formano – deve essere preservata se vogliamo mantenere in salute e in stabilità l’ambiente del nostro pianeta. Nel tempo, l’evoluzione di nuove forme di fiori, alberi e arbusti crea nuove nicchie per far emergere nuove specie di animali. A sua volta la proliferazione e l’evoluzione degli animali aumenta la pressione selettiva sulle piante, favorendone la diversificazione. Cercare di comprendere la moltitudine di relazioni complesse che legano intrinsecamente questi organismi insieme è quindi un passo cruciale per garantire la conservazione di piante e animali.

Sfortunatamente, per alcune piante, non tutte le associazioni con gli animali sono desiderabili e spesso una relazione permanente tra una pianta e un animale può sfociare in un’ardua battaglia per la sopravvivenza. Cercando qua e là, ho infatti trovato che una tumultuosa corsa agli armamenti coevolutiva è stata dimostrata tra molte specie di passiflora (appartenenti all’ordine di piante esotiche Passifloraceae) – conosciute anche come fiori della passione o viti della passione – e le farfalle appartenenti al genere Heliconius (eliconidi).

Le varie specie di passiflora sono originarie prevalentemente dell’America centromeridionale. Il loro habitus è prevalentemente a vite/liana, ma alcune specie sono arbusti o addirittura alberi. Producono fiori regolari e solitamente vistosi, con una corolla molto caratteristica. Il fiore è pentamero e matura in un frutto indeiscente (passion fruit, maracujà, granadilla o frutto della passione) con numerosi semi immersi in una gelatina giallastra, dal profumo e sapore delicato (quello commestibile è solitamente a buccia viola a maturazione, frutto di Passiflora edulis). Il nome del genere, che significa “fiore della passione” (dal latino passio = passione e flos = fiore), fu attribuito dai missionari Gesuiti nel 1610 per la somiglianza di alcune parti della pianta con i simboli religiosi della passione di Gesù: i viticci alla frusta con cui venne flagellato, lo stilo tripartito ai chiodi, gli stami al martello, la raggiera della corolla alla corona di spine. La pianta è molto bella ed elegante, e ricorda il pisello, con cui infatti l’avevo scambiata inizialmente. Solo dopo aver visto che sopravviveva anche di inverno e si allungava sempre di più, mi era venuto il dubbio che fosse altro. Quella che ho sul mio terrazzo (foto in basso) deriva da semi che ho avuto in regalo da una mia amica, per cui non avevo idea di cosa sarebbe spuntato dal terriccio; ora è una bella pianta rampicante di due metri di altezza che dopo due anni mi ha donato due frutti.

 

Fiore, frutti, viticci e foglie di Passiflora edulis (foto: A. Sofo).

 

Ma torniamo alle interazioni pianta-animali nella passiflora. Le farfalle eliconidi vivono, come le piante che visitano, in America centrale e meridionale e, quando sono nella loro fase di bruco, si nutrono quasi esclusivamente di foglie di passiflora. Per difendersi, le foglie di passiflora producono glicosidi cianogeni e cianoidrine, potenti sostanze chimiche che le rendono sgradevoli alla maggior parte degli insetti. Ma ricordiamoci che qui siamo in piena corsa agli armamenti, per cui una specie l’eliconide zebrata (Heliconius charithonia) ha sviluppato una resistenza a queste sostanze chimiche in quanto la saliva dei loro bruchi ha un enzima che detossifica le difese chimiche della pianta, permettendo loro di banchettare tranquillamente sulle foglie di passiflora. Heliconius charithonia non si limita solo a tollerare queste sostanze chimiche, ma le sequestra attivamente nel suo corpo per creare tossine proprie, il che a sua volta la rende velenosa agli uccelli predatori quando si trova nello stadio di farfalla adulta. Per dare quindi alla loro progenie migliori possibilità di sopravvivenza, le farfalle femmine preferiscono deporre le loro uova sulle foglie passiflora in grappoli e linee perfette, in modo che abbiano una fonte immediata di cibo dopo la schiusa. Dal canto suo, per evitare che le loro foglie vengano decimate da centinaia di bruchi, la passiflora si è evoluta per sviluppando appendici gialle (stipole) su alcune delle sue foglie. Queste stipole assomigliano a uova mature di farfalla, con un mimetismo e una specificità sorprendenti (dimensioni, colore e disposizione delle uova sono infatti diverse per ogni specie di eliconide). Le farfalle femmine vengono ingannate perché si accorgono che altre farfalle hanno già deposto le uova, per cui la foglia è “occupata”, ed il gioco è fatto. Inoltre, sul retro delle foglie, sotto ogni stipola gialla, c’è anche una piccola ghiandola che produce nettare dolce per attirare formiche e vespe. Questi insetti predatori pattugliano le foglie della passiflora e attaccano i bruchi che incontrano, fornendo un’altra linea di difesa per la pianta.

 

[A sinistra] Heliconius erato, un ospite indesiderato di Passiflora spp. (Benson, 2012). [A destra] L’eliconide zebrata Heliconius charithonia (fonte qui).

 

Per milioni di anni, le passiflore si sono adattate per essere sempre un passo avanti rispetto ai loro partner animali. Delle 600 specie conosciute di passiflora, sembra esserci solo una specie che ha davvero surclassato le farfalle: Passiflora adenopoda (comunemente chiamata passiflora velcro) ha sviluppato minuscoli peli ad uncino (tricomi) che coprono le foglie della pianta come un letto di chiodi. Se un bruco dal corpo morbido lo attraversa, viene intrappolato o trafitto.

Il frutto della passiflora, sebbene esotico, è oramai popolare in Europa, Nord America e altri luoghi. Con il suo profumo e aroma concentrato, viene utilizzato per aromatizzare succhi di frutta, gelatine, creme, dolciumi e cocktail. Finora, gli sviluppi commerciali sono stati basati su due specie brasiliane (Passiflora edulis e Passiflora edulis var. flavicarpa) ma sulle Ande ci sono decine di altre specie, alcune delle quali sono note per essere ancora più gustose. In Italia, la passiflora viene coltivata ma mal sopporta il gelo invernale delle regioni settentrionali. È infatti una pianta che preferisce climi caldi e soleggiati e non sopporta assolutamente il ristagno idrico, per cui è preferibile aggiungere sabbia nel terriccio. Più facile è trovarla nei giardini privati di ville di campagna, dove è coltivata per la bellezza dei suoi fiori e per il portamento a vite che la porta a colonizzare cancelli, grate e colonne.

 

Stato delle due specie spontanee di passiflora nelle regioni italiane (Celesti-Glapow et al., 2010).

 

Ultima cosa importante, la passiflora è chiaramente una pianta alloctona. Qui in basso è riportato lo stato della pianta in Italia: si tratta di una specie neofita, cioè introdotta dopo il 1500, e casuale, cioè non forma popolazioni stabili e la sua distribuzione dipende dal continuo apporto di nuovi propaguli da parte dell’uomo. Per cui non è un’invasiva pericolosa, almeno fino ad oggi.

 

 

Grazie e loro, ho scritto:

Arnoldia Archive (1990) Volume 50 Number 4. http://arnoldia.arboretum.harvard.edu/issues/262

Benson, Will (2012) Kingdom of Plants – A Journey Through Their Evolution. Kew Gardens. Collins Ed.

Celesti-Glapow, Laura; Pretto, Francesca; Carli, Emanuela; Blasi, Carlo (2010) Flora Vascolare Alloctona e Invasiva delle Regioni d’Italia. Ministero dell’Ambiente, Società Botanica Italiana, Centro di Ricerca Interuniversitario Sapienza

Ingrouille, Martin; Eddie, Bill (2006) Plants: Evolution and Diversity. Cambridge University Press.

Wikipedia. Passiflora. https://it.wikipedia.org/wiki/Passiflora

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