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

Gli scienziati trovano quell’uscita meiotica Arabidopsi Guidato dall’inibizione della traduzione mediata dal corpo P

Albert Cairo, Karel Reha e i loro colleghi hanno scoperto un meccanismo precedentemente non identificato per la riprogrammazione dell’espressione genica durante la transizione quando da cellula a cellula si differenzia. Il meccanismo si verifica alla conclusione della meiosi, una divisione cellulare specializzata necessaria per la riproduzione sessuale, e consente la differenziazione delle cellule germinali e dei granelli di polline.

Questo meccanismo comporta la localizzazione dinamica dei componenti regolatori essenziali nel condensato intracellulare che ricorda le goccioline liquide. Questo processo è direttamente correlato alla produzione di semi e può fornire nuovi modi per generare colture più sostenibili in grado di resistere a condizioni ambientali difficili. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla prestigiosa rivista Scienze.

Fiore di bruco di campo catturato dal microscopio ottico. Credito: Istituto di tecnologia dell’Europa centrale – Università di Masaryk

Le cellule non sono cose statiche. Cambiano da un tipo all’altro. L’attivazione di un particolare insieme di geni influenza il modo in cui le cellule si specializzano nel completare compiti specifici e quando si dividono o si differenziano. Biologi cellulari come Albert Cairo e Karel Reha utilizzano una gamma di metodi scientifici all’avanguardia per esplorare l’esatto mondo delle piante. La biologia cellulare sta attualmente subendo una rivoluzione, con la prospettiva tradizionale dell’organizzazione cellulare che viene estesa a nuovi livelli.

“Ora sappiamo che la cellula contiene non solo organelli convenzionali definiti dalla membrana, ma molti processi molecolari sono confinati all’interno di organelli meno specifici della membrana, chiamati anche condensatori di biomolecole (biocondensatori). Negli ultimi 10 anni, l’importanza di questi biocondensatori è iniziata da riconoscere.” Stiamo ora contribuendo a questo campo mostrando come un tipo specifico di biocondensazione si forma alla fine della meiosi e inibisce la sintesi proteica”, spiega Albert Cairo, primo autore di questa ricerca.

“Questo, da un lato, pone fine ai processi di meiosi, ma dall’altro segna l’inizio di una generazione di cellule geneticamente diversa”, aggiunge Cairo. Ma non è tutto. Il team di ricerca ritiene che meccanismi simili siano attivi anche in altri organismi e contesti cellulari, inclusa la differenziazione cellulare o le risposte allo stress.

La scoperta da parte dei membri del laboratorio di Karel Riha potrebbe avere un enorme impatto sulla società.

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

“Stiamo vivendo un’emergenza climatica. Sebbene le piante possano resistere a un’ampia gamma di stress, comprese le alte temperature e la siccità, la loro crescita e riproduzione possono essere gravemente compromesse. Ciò significa che siamo in pericolo di una riduzione significativa della resa delle colture, solo quando la resa deve essere aumentata per soddisfare i bisogni umani. Questo è il motivo per cui la ricerca sulle piante dovrebbe ora essere una priorità”, spiega l’autore corrispondente e leader del gruppo di ricerca Karel Riha.

Il compito principale del laboratorio è quello di fare luce sui processi biologici di base strettamente legati alla riproduzione delle piante e alla formazione dei semi, che in molte colture si traducono in resa.

I risultati della ricerca mostrano che i condensatori biomolecolari svolgono un ruolo importante nella fertilità delle piante e il loro comportamento è probabilmente correlato allo stress ambientale. Quindi è chiaro che la nostra scoperta è il primo passo nello sviluppo di nuove soluzioni che portano a una produzione agricola sostenibile in condizioni estreme”, spiega Albert Cairo.

Le tecniche tecniche che il team ha dovuto fare sono davvero impressionanti e questa ricerca è stata pubblicata in Scienze Siate certi che il Laboratorio Reha sta andando nella giusta direzione.

La strada della scoperta

Studio della meiosi in una pianta modello Arabidopsis thaliana È una sfida particolare. Il team di ricerca si è concentrato su cellule rare e insolite nascoste in minuscoli boccioli di fiori di 0,1-0,4 mm. Inoltre, le fasi della divisione meiotica su cui si concentra lo studio si verificano rapidamente: l’intero processo richiede dalle cinque alle sei ore. Pertanto, non è facile catturarlo. Il team di ricerca deve utilizzare la tecnologia più recente e una buona dose di creatività e immaginazione per esplorare questo processo.

Il team di Riha ha dovuto impostare le condizioni per l’imaging dal vivo della meiosi all’interno dell’altro organo (la parte dello stame che contiene il polline). Il team ha utilizzato la microscopia avanzata ed è diventato uno dei due laboratori al mondo in grado di monitorare direttamente la meiosi delle piante. Un’altra competenza fondamentale che il team ha acquisito è stata la padronanza della tecnica del protoplasto. I protoplasti sono cellule vegetali isolate che sono state private della parete cellulare circostante, il che le rende facili da manipolare geneticamente e visualizzarle al microscopio. Questa tecnica ha consentito al team di risolvere alcuni problemi in modo più rapido ed efficiente rispetto all’utilizzo di cellule meiotiche.

Anna Vargova ha dato un contributo significativo alla comprensione del complesso meccanismo appena descritto. Pavlina Mikulkova ha fornito esperienza e ha prestato la sua mano magica durante l’imaging cellulare vivo della meiosi utilizzando un microscopio Light-shit. Il team di ricerca è stato supportato dalla CEITEC CELLIM Core Facility e dalla Plant Science Core Facility. La ricerca ha richiesto oltre otto anni ed è stata finanziata dal progetto REMAP Youth and Sports Scholarship del Ministero dell’Istruzione ceco. “Sarebbe molto difficile sviluppare un progetto così complesso senza i finanziamenti a lungo termine di cui disponiamo. In effetti, a un certo punto, ho sentito che i nostri limiti erano solo la nostra immaginazione e penso che fosse cruciale per il nostro lungo termine scoperta”, afferma Albert Cairo.

Riferimento: “Esodo meiotico in Arabidopsi Spinto 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, Scienze.
DOI: 10.1126 / science.abo0904

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