Identificato il meccanismo con cui gli ioni calcio entrano nei mitocondri delle piante

The Plant Cell pubblica uno studio internazionale a guida italo-tedesca che svela per la prima volta il meccanismo molecolare che consente agli ioni calcio (Ca2+) di entrare nei mitocondri delle cellule vegetali, svolgendo quindi un ruolo importante nella regolazione dello sviluppo delle piante in risposta a ripetuti stress meccanici.

Lo ione calcio è un nutriente molto speciale, perché svolge anche un importante ruolo di secondo messaggero, regolando in maniera appropriata le risposte agli stimoli esterni nelle cellule della maggior parte degli esseri viventi, siano essi animali, vegetali o funghi.

Lo studio, coordinato da Alex Costa, docente di Fisiologia vegetale del dipartimento di Bioscienze dell’Università Statale di Milano, e da Markus Schwarzländer, docente di Plant Physiology & Cell Biology all’Università di Münster (Germania), è stato condotto in collaborazione con gruppi di ricerca di Halle, Heidelberg, Bonn, Lund (Svezia), Antwerp (Belgio) e Viçosa (Brasile) e vede come autrice principale Cristina Ruberti, giovane ricercatrice in post dottorato a Münster per due anni, prima di trasferirsi all'Università degli Studi di Milano.

"È sorprendente che un semplice ione possa essere così importante per la trasmissione di informazioni", affermano Alex Costa e Markus Schwarzländer. "Presumiamo che gli ioni calcio acquisiscano questo potenziale attraverso la capacità delle cellule di regolarne finemente la sua concentrazione e distribuzione".

Che i mitocondri vegetali siano in grado di assorbire ioni calcio e in questo modo – presumibilmente – essere coinvolti nelle vie di segnalazione del calcio era già stato scoperto nel 1965, ma quale fosse il meccanismo molecolare responsabile del trasporto del calcio nei mitocondri è stato un argomento lungamente dibattuto negli ultimi decenni. “La membrana interna dei mitocondri è impermeabile alla maggior parte degli ioni, ma alcune proteine localizzate nella membrana stessa permettono che specifici ioni, come il calcio, possano attraversarla, rendendola parzialmente permeabile, e consentendo così la trasmissione di segnali in questo organello cellulare” – proseguono i professori Costa e Schwarzländer.

In ambito animale, la questione dell'identità del canale del calcio mitocondriale è stata risolta nel 2011, quando i ricercatori dell’Università di Harvard e dell’Università degli Studi di Padova hanno scoperto indipendentemente il gene codificante per il canale del calcio MCU (mitocondrial calcium uniporter). Questa importante scoperta ha poi permesso l’individuazione anche nelle piante dei geni codificanti per MCU. Ciò che non era ancora stato chiarito, tuttavia, era se questi geni fossero realmente responsabili della formazione di canali del calcio mitocondriali anche nella cellula vegetale.

Studiando la pianta modello Arabidopsis thaliana, le indagini si sono focalizzate inizialmente sulle possibili ripercussioni nella concentrazione di ioni calcio nei mitocondri. Mediante l’impiego di una proteina fluorescente, che indica i cambiamenti nella concentrazione di ioni calcio nei mitocondri sotto forma di un segnale fluorescente, i ricercatori hanno dimostrato che, a causa della disattivazione dei geni MCU, un numero molto inferiore di ioni calcio entrava nei mitocondri. Ciò significa che i ricercatori hanno finalmente chiarito che le cellule vegetali, in modo simile alle cellule animali, trasportano gli ioni calcio nei mitocondri attraverso i canali MCU. "Siamo stati anche in grado", afferma Cristina Ruberti, "di dimostrare che questo è di gran lunga il meccanismo principale con cui gli ioni calcio vengono accumulati nei mitocondri. Questo significa che ora abbiamo la possibilità di controllare la trasmissione del segnale da parte degli ioni calcio nelle centrali elettriche cellulari, e quindi di influenzarne potenzialmente le informazioni codificate”.

Dopo questa osservazione pionieristica, il team ha utilizzato le piante con ridotta capacità di trasporto del calcio nei mitocondri per cercare di scoprire quale fosse il ruolo fisiologico del calcio mitocondriale per la pianta. Nel caso degli animali, gli ioni calcio nei mitocondri regolano la produzione di energia, ma nelle piante non vi sono indicazioni di una funzione analoga.

Analizzando l'espressione dell'intero genoma vegetale, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che la ridotta capacità di trasporto degli ioni calcio ha un impatto sulla regolazione dell’acido jasmonico, un ormone di difesa delle piante che svolge molteplici ruoli, quali fornire protezione contro gli erbivori, regolare l’invecchiamento della pianta o la morte regolata dei tessuti, nonché le risposte a stimoli meccanici come il tocco.

“Le piante con ridotta capacità di trasporto del calcio nei mitocondri hanno mostrato una senescenza leggermente ritardata e quando questa è stata indotta dall’assenza di luce, le foglie hanno mostrato un ingiallimento più lento rispetto alle piante selvatiche” – afferma il professor Costa. “Ciò che ci sorprende particolarmente è che esiste evidentemente un legame tra il trasporto di ioni calcio nei mitocondri e il processo di regolazione guidato dall'acido jasmonico. I risultati mostrano che processi molecolari come l'assorbimento degli ioni calcio nei mitocondri, che sono stati conservati negli animali e nelle piante attraverso l'evoluzione, possono essere utilizzati per svolgere nuove funzioni".

Grazie alle scoperte di questo lavoro, la riprogrammazione mirata del trasporto mitocondriale del calcio è una strada ora percorribile e di attuale interesse con importanti ripercussioni per esempio in agricoltura, dove il controllo della risposta alla stimolazione meccanica può essere cruciale in condizioni dove le piante crescono in condizioni molto ravvicinate tra loro.

Il link allo studio su The Plant Cell.