Feb
28
2021
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Il misterioso linguaggio delle piante (parte 1)

 

Le piante percepiscono il mondo senza occhi, orecchie o cervello. Per questo motivo, i loro meccanismi di percezione sono stati troppo spesso trascurati. Come tutti gli organismi viventi, le piante mostrano adattamenti e comportamenti, per lo più sconosciuti e segreti agli uomini. Le piante combattono per il territorio, cercano cibo, sfuggono ai predatori e intrappolano le prede. Hanno un linguaggio chimico per comunicare con altre piante della stessa specie o di altre specie, e anche con funghi e animali. Esse si muovono lentamente ma con uno scopo, il che significa che sono consapevoli di ciò che accade intorno a loro. Sono attratte da determinate sostanze chimiche e da suoni, mentre ne evitano altri. Inoltre, nelle piante sono stati trovati analoghi dei meccanorecettori, fotorecettori e neurotrasmettitori. Le strategie di rilevamento e risposta delle piante vicine sono importanti mediatori delle interazioni tra le specie e delle interazioni parentali tra esse (kin selection). Capire come le piante comunicano può insegnarci molto su di loro e potenzialmente anche molto su di noi.

Le piante rilevano, integrano e utilizzano costantemente le informazioni provenienti dall’ambiente per modellare la loro crescita, sviluppo e metabolismo. Il modo in cui le piante rispondono agli stress abiotici e biotici è stato oggetto di ricerche approfondite, ma si sa relativamente poco su come rispondono ad altre piante. Ciò è sorprendente, dato che le altre piante vicine sono tipicamente gli organismi viventi dominanti nel loro habitat, nonché una fonte sia di stress diretto (come nel caso dell’ombreggiamento) che di stress indiretto (ad es., competizione per le risorse). In quanto tali, le piante hanno sviluppato una varietà di sistemi per rilevare attivamente sia le radici che i germogli delle piante vicine. Sorprendentemente, recenti ricerche indicano che le piante non solo possono rilevare le piante vicine, ma anche distinguere un continuum di parentela genetica (kin selection) – vale a dire, possono rilevare parenti e non parenti – e moderare il loro comportamento in base all’identità del vicino. Altre ricerche suggeriscono che le piante possono anche condividere tra loro informazioni, ad esempio sullo stato dei loro patogeni. Questi comportamenti apparentemente altruistici, intenzionali o involontari, sollevano interrogativi intriganti sulle forze evolutive che hanno modellato le interazioni pianta-pianta. Suggeriscono, inoltre, l’esistenza di una “biologia sociale” precedentemente trascurata nelle piante, e che potrebbe avere importanti ricadute sulla la comprensione, ad esempio, delle interazioni tra piante coltivate, oppure tra colture ed erbe infestanti.

La capacità di riconoscere e rispondere ai segnali ambientali è essenziale per la sopravvivenza delle piante. Le piante sono organismi multicellulari e complessi che hanno bisogno di una strategia di comunicazione veloce, efficace e affidabile. Il continuo “chiacchiericcio” tra piante, una sorta di linguaggio segreto, misterioso e complesso per noi umani, si fonda su una vasta gamma di sostanze chimiche (si stima da 5.000 a 30.000 per ogni specie). Le piante si sono quindi evolute per coesistere in comunità in cui le interazioni con gli individui vicini avvengono continuamente e velocemente. Ma quali sono queste sostanze chimiche?

I composti organici volatili biogenici (BVOC) sono tra i principali mediatori dell’interazione mutualistica tra le piante circostanti. I BVOC hanno molti ruoli ecologici, tra i quali la segnalazione in superficie e sotto terra, l’attrazione degli insetti impollinatori e degli animali dispersori di semi, e le interazioni positive o negative con erbivori e patogeni, oltre a regolare lo sviluppo delle piante stesse. In particolare, i terpenoidi volatili e semivolatili (monoterpeni, diterpeni, sesquiterpeni, ecc.) sono importanti per la difesa delle piante contro gli stress abiotici. L’efficacia della comunicazione dipende dal contesto e dalla specie. In base al tipo di segnale, i BVOC possono essere informazioni utili per il ricevitore o sono il risultato della risposta dell’emettitore agli stimoli. Ad esempio, alcune cultivar di orzo allocano più biomassa nelle radici, se esposte BVOC di un’altra specie di pianta. Al contrario, le piante parassite possono distinguere tra i volatili rilasciati da ospiti e non ospiti e decidere di crescere verso la situazione a loro vantaggiosa. Alcuni fitormoni, come l’etilene e i jasmonati sono BVOC, altri, come citochinine, auxine, acido abscissico, gibberelline e brassinosteroidi sono stimolatori della loro sintesi. La specificità dei BVOC, unita alla teoria delle reti complesse e all’intelligenza artificiale, ha consentito anche di fornire una classificazione alternativa delle specie vegetali, non più basata solo sulla morfologia o sulle sequenze geniche. Tale complessa analisi delle reti dei BVOC consente quindi di scoprire le relazioni nascoste tra piante, legate alla loro evoluzione e adattamento all’ambiente.

 

Una classificazione di specie vegetali basata sulla complessa rete di interazione tra composti organici volatili biogenici (BVOC) prodotti dalle piante (da Vivaldo et al., 2017; https://doi.org/10.1038/s41598-017-10975-x).

 

Il sistema radicale delle piante è generalmente destinato a fornire nutrienti e ad assorbire acqua. Le radici sono il primo organo a entrare in contatto con gli elementi tossici e/o xenobiotici eventualmente presenti nel suolo e ad attuare le prime risposte di difesa e/o fuga (avoidance) delle piante. Le radici secernono una vasta gamma di composti nel terreno circostante, i cosiddetti essudati radicali (REX). Si tratta di miscele complesse di ioni inorganici, enzimi e composti organici solubili primari e secondari. I REX, che rappresentano una forma importante di comunicazione della pianta con l’ambiente circostante, svolgono un ruolo importante nelle interazioni della pianta con il microbioma della rizosfera e facilitano diverse risposte della pianta, tra cui l’assorbimento di macro/micronutrienti e di cationi, e la competizione per le risorse, oltre ad altre interazioni. Meno noto è invece come i REX possano essere un sistema di comunicazione vitale tra piante della stessa specie o di specie diverse, facilitando la discriminazione tra vicini. Nonostante la crescente conoscenza del rilevamento e della risposta dei vicini che coinvolgono i BVOC, si sa infatti molto poco su come le sostanze chimiche di segnalazione presenti nel suolo, tra cui i REX, possano agire nelle interazioni pianta-pianta. È stato ad esempio dimostrato che Il grano può rilevare vicini sia conspecifici che eterospecifici e risponde aumentando la produzione allelochimica, come la (-)-loliolide e l’acido jasmonico sono presenti nei REX di una vasta gamma di specie e coinvolti nel rilevamento delle piante vicine e possono essere mediatori diffusi delle interazioni pianta-pianta che avvengono nel sottosuolo.

 

Interazioni chimiche sotterranee tra piante di frumento e altre piante vicine, mediate dai composti (-)-loliolide, acido jasmonico e DIMBOA, presenti negli essudati radicali (da Kong et al., 2018; https://doi.org/10.1038/s41467-018-06429-1).

 

[continua il mese prossimo…]

 

Grazie a loro, ho scritto:

  1. Ballarè (1999) Trend Plant Sci. 4:3; 97–102
  2. Khashi u Rahman et al. (2019) J. Plant Interact. 14 (1): 630–636
  3. Ninkovic et al. (2020) Plant Cell Environ. Oct 12: Epub ahead of print. PMID: 33047347
  4. Bouwmeester et al. (2019) Plant J. 100: 892–907
  5. Kessler et al. (2001) Science 291: 2141–2144.
  6. Vivaldo et al. (2017) Sci. Rep. 7: 11050
  7. Ninkovic et al. (2006) In: Baluška et al. (eds.) Communication in Plants. Springer, Berlin, Heidelberg. Pp. 421–434
  8. Ninkovic et al. (2016) Perspect. Plant Ecol. Evol. Syst. 23: 11-17
  9. Ninkovic (2003) J. Exp. Bot. 54 (389): 1931–1939
  10. Runyon et al. (2006) Science 313: 1964–1967
  11. Yang et al. (2017) Front. Plant Sci. 8: 1527
  12. Vives-Peris et al. (2020) Plant Cell Rep. 39: 3–17
  13. Wang et al. (2020) Plant Cell Environ. Sep 15: Epub ahead of print. PMID: 32931018.
  14. Chaparro et al. (2014) ISME J 8 : 790–803
  15. Vives-Peris et al. (2020) Plant Cell Rep. 39: 3–17
  16. Kong et al. (2018) Nat. Commun. 9: 3867
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