Primi eventi della catena segnalatoria nelle piante in risposta alle

ASSEGNO DI RICERCA 1 MARZO 2011 – 29 FEBBRAIO 2012
Primi eventi della catena segnalatoria nelle piante in risposta alle variazioni di gravità
Tutti gli scenari previsti e studiati per le missioni spaziali a lungo termine e per l’abitabilità di
strutture extraterrestri devono necessariamente considerare le piante come una componente fondamentale per
poter supportare la presenza e l’attività dell’uomo. La logica dietro a questa affermazione è legata alla stretta
interrelazione fra piante ed uomo e alla loro complementarietà. Le piante, infatti, sono capaci di riciclare i
rifiuti prodotti dall’uomo, di fornire loro alimentazione, di produrre ossigeno e di fornire supporto
psicologico. Questa considerazione è alla base del concetto di Advanced Life Support System con il quale
numerosi ricercatori hanno valutato nel decennio passato la possibilità di creare una sorta di ‘biosfera’ per le
missioni spaziali a lungo termine. Per raggiungere questo obiettivo, però, è necessaria una lunga serie di
esperimenti per poter capire e comprendere la capacità delle piante di poter crescere in un ambiente
fortemente ostile, soprattutto per l’assenza del vettore gravità.
La gravità è un fattore costante dell’ambiente terrestre che ha giocato un ruolo fondamentale
decisivo nell’evoluzione della vita. In particolare, le piante hanno sviluppato processi di gravitropismo che
permettono di orientare gli organi fotosintetizzanti verso la sorgente di energia luminosa e di ottimizzare il
sistema radicale per l’ancoraggio e l’esplorazione del suolo alla ricerca di acqua e nutrienti. Il gravitropismo
in senso lato può venire suddiviso in tre stadi: percezione del vettore gravità; trasduzione e trasmissione del
segnale; curvatura dell’organo che riceve il segnale per dirigersi nella corretta direzione. Se da un lato la
percezione della gravità a livello radicale è un fenomeno ormai appurato in biologia vegetale (es. modello
‘tensegrity’ che associa l’azione degli statoliti alle modifiche sul citoscheletro), la catena di eventi legati alla
trasduzione ed alla trasmissione del segnale è tuttora lacunosa di informazioni. Al momento, infatti, nessun
recettore è stato ancora identificato come inequivocabilmente responsabile della risposta metabolica e
fisiologica a modifiche della gravità, dovuto soprattutto al fatto che lo studio della risposta gravitropica
soffre ancora lo scarso numero di studi approfonditi condotti per un lungo periodo di tempo in una reale
assenza di gravità, quale quella riscontrabile sulla ISS (Stazione Spaziale Orbitante).
L’ipotesi scientifica sulla quale poggia il presente Progetto di ricerca si basa sulla emissione di
segnali di vario tipo da parte dell’organo deputato alla percezione del vettore gravità, l’apice radicale,
quando il vettore gravità subisce sostanziali modifiche sia in senso quantitativo (microgravità, ipergravità)
sia in senso qualitativo (direzione). Tra i segnali prodotti grande importanza hanno i network di segnali
elettrici, ormai consolidati quali segnali primari per la comunicazione intra- ed intercellulare nelle piante.
Tutti i processi degli organismi viventi generano campi elettrici che devono essere ritenuti come una delle
proprietà universali degli organismi e che vengono utilizzati per la comunicazione intercellulare in presenza di
condizioni ambientali mutate. Cellule elettricamente eccitabili sono presenti in molti organismi multicellulari,
specialmente nel cervello di animali. Eventi elettrici canalizzati in tali strutture possono servire per la
trasduzione di parametri e segnali ambientali, ottenuti da sistemi/organi di senso, in informazioni di tipo
biologico. La maggior parte delle cellule vegetali è elettricamente attiva ed eccitabile, rilasciando e propagando
potenziali di azione (AP) che regolano e controllano processi fisiologici centrali quali fotosintesi e respirazione.
Inoltre, i segnali elettrici sono ritenuti giocare un ruolo centrale nella comunicazione intra- ed inter-cellulare ad
ogni stadio evolutivo, dalle alghe, alle briofite fino alle piante superiori. Molti studiosi hanno compiuto analisi
dettagliate dell’attività elettrica di cellule singole usando microelettrodi per le registrazioni intercellulari.
Purtroppo, tali tecniche non sono in grado di monitorare ed evidenziare le strette interconnessioni ed
integrazioni fra cellule diverse sul modo di combinare spazialmente e temporalmente le diverse informazioni
fino a creare una sorta di network. Infatti, risulta tecnicamente difficile registrare e stimolare più di tre cellule
contemporaneamente, e tali cellule muoiono precocemente in pochi minuti. La registrazione simultanea
multisito, con un array inglobato in un substrato (MEA, MultiElectrode Array), è un’ottima possibilità che
permette l’analisi spaziale e temporale di segnali elettrici, richiesta per poter accuratamente delucidare la
funzione del network elettrico. Questo metodo è stato diffusamente usato nel campo delle neuroscienze, ma per
la prima volta è stata recentemente dimostrata l’esistenza di tale network spontaneo in una specie vegetale (Zea
mays L.). Il MEA può permettere così di esaminare l’attività elettrica distribuita e sincronizzata di cellule e
tessuti, focalizzando l’eventuale connessione fra attività elettrica e reazioni metaboliche e fisiologiche a
stimoli esterni, come la gravità, ed è lo strumento principale che verrà utilizzato nel presente Progetto..
Le piante utilizzano molte molecole che sono ben note come fondamentali per la comunicazione
intercellulare a livello di sinapsi neuronale in animali: l’ipotesi è che possano agire come trasmettitori
specifici di segnali elettrici nella comunicazione intercellulare. Neurotrasmettitori come glutammato, glicina,
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acetilcolina, dopamine, vengono infatti prodotti dalle piante, ma il loro ruolo non è tuttora ben chiaro. Queste
sostanze possono elicitare rapide risposte elettriche in cellule vegetali e indurre così flussi temporanei di
calcio, ben noto come messaggero secondario di stress. Ad esempio, glutammato e glicina regolano i canali
di calcio, mentre il glutammato è capace di depolarizzare velocemente la membrana plasmatica in un
processo mediato dai recettori del glutammato. Recenti evidenze supportano infatti l’ipotesi che il Lglutammato extracellulare agisca come una molecola segnalatoria nella pianta, specialmente a livello
radicale, inducendo una depolarizzazione della membrana grazie al passaggio di ioni calcio. E’ stato inoltre
dimostrato come l’applicazione del glutammato a livello radicale incrementi il tasso di attività elettrica e di
sincronizzazione
Il Progetto si prefigge così di investigare dettagliatamente i primi eventi della catena segnalatoria in
assenza di gravità con particolare riferimento all’insorgenza (spontanea o indotta) dei segnali elettrici, ed il
ruolo dei neurotrasmettitori vegetali nella trasmissione del segnale di stress gravitazionale. Nel 2011 è
prevista la partecipazione del presente Progetto ad una campagna di voli parabolici ESA durante la quale
saranno programmati alcuni esperimenti per lo studio della spontanea produzione di potenziali di azione da
parte dell’apice radicale come segnale elettrico in risposta alle mutate condizioni di gravità.
L’ipotesi di lavoro alla base di questi esperimenti è quella per la quale solamente le condizioni di
microgravità, ma non quelle di ipergravità siano capaci di indurre rapidamente cambiamenti immediati nel
network elettrico, con cicli alternati di attivazione/deattivazione. La microgravità dovrebbe perciò
rappresentare una situazione di forte stress per le piante, soprattutto gli apici radicali, che reagiscono
prontamente con una diminuzione temporanea di attività elettrica, e che questi burst indotti da condizioni di
microgravità siano risposte adattative delle radici che richiamano altre forme di stress completamente
diverse. A conclusione, è da sottolineare il fatto che le conoscenze sull’effetto di una reale, e non artefatta,
assenza di gravità a breve/medio/lungo termine sulla risposta gravitropica in tessuti vegetali mediante le
classiche facilities quali voli parabolici, sounding rocket, Foton M2 o ISS sono piuttosto scarse e tuttora
lacunose. Tutti gli studi sono stati condotti a terra mediante l’utilizzo di clinostati 2D, 3D e RPM (random
positioning machine) che, come ormai noto, non ricreano esattamente le condizioni di assenza di gravità
presenti nello spazio, fornendo così risultati contradditori e non completamente rispondenti alla realtà.
OBIETTIVI
1. Valutazione del cambiamento nelle condizioni del vettore gravità sull’attività elettrica di cellule
radicale
2. Studio dell’azione dei neurotrasmettitori sull’attività elettrica di apici radicali in condizioni diverse
di gravità (normale, microgravità).
ARTICOLAZIONE DEL PROGETTO IN FASI
Fase 1. Esperimenti a terra.
Questi esperimenti avranno lo scopo principale di validare preliminarmente le ipotesi alla base del Progetto e
le metodologie previste per le analisi, per poi venire confermati in esperimenti in reale assenza di gravità. In
particolare, verranno utilizzate sostanze neurotrasmettitrici quali serotonina, glicina, glutammato e GABA
per delineare le loro funzioni e la loro importanza nel modificare l’attività elettrica spontanea in apici radicali
di mais mediante misure con MEA.
Fase 2. Esperimenti in reali condizioni di microgravità mediante voli parabolici (autunno 2011)
a) Preparazione esperimento per voli parabolici (primavera-estate 2011)
b) Misura delle dinamiche spazio-temporali dell’attività elettrica in apici radicali soggetti a condizioni di
microgravità (autunno 2011) in assenza e in presenza di neurotrasmettitori.
Il responsabile scientifico
Prof. Stefano Mancuso
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