Le cellule vegetali di specie diverse possono scambiare gli organelli
Più di un decennio fa, i genetisti delle piante notarono qualcosa di strano quando guardarono le piante innestate. Dove due piante crescevano insieme, le cellule di ciascuna pianta mostravano segni di aver raccolto notevoli quantità di DNA dall'altra. Di per sé, ciò non era senza precedenti, perché i trasferimenti orizzontali di geni non sono rari nei batteri e persino negli animali, nei funghi e nelle piante. Ma in questo caso, il DNA trasferito sembrava essere l'intero genoma intatto dei cloroplasti. Ciò ha posto un enigma, perché le cellule vegetali si sigillano all'interno di una parete cellulare protettiva che non offre un modo ovvio per far entrare così tanto DNA.
Ora, i ricercatori del laboratorio di Ralph Bock presso il Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology di Potsdam hanno finalmente scoperto la risposta catturando questo trasferimento in video. Non solo le pareti cellulari a volte sono più porose di quanto si pensasse, ma le piante sembrano aver sviluppato un meccanismo che consente a interi organelli di strisciare attraverso la parete cellulare nelle cellule adiacenti. I ricercatori hanno riportato la loro scoperta nel numero del 1 ° gennaio di Science Advances .
"La vera novità è che hanno dimostrato che l'organello fisico si sta muovendo, non solo da una cellula all'altra", ha detto Charles Melnyk , un biologo vegetale che studia l'innesto presso l'Università svedese di scienze agrarie di Uppsala. "Sono due piante diverse che si scambiano gli organelli."
Buchi inaspettati nei muri
Gli agricoltori hanno utilizzato gli innesti di piante almeno dai tempi dell'antica Roma per coltivare alberi da frutto e viti. L'innesto di una marza – la parte fiorente e fruttifera di una pianta – su un portainnesto stabilito può aiutare i giovani alberi da frutto o le viti a dare frutti prima e migliorare la loro resistenza a parassiti e malattie. L'innesto si verifica anche in natura, quando piante strettamente imparentate che si toccano alla fine si fondono, o quando piante parassite formano connessioni con i loro ospiti. Nel sito dell'innesto, le piante formano una sorta di cicatrice, o callo, che ristabilisce il flusso di acqua e sostanze nutritive attraverso i tessuti vascolari attraverso la ferita e talvolta dà origine a nuovi germogli.
Circa un decennio fa, Bock e il suo team hanno innestato insieme due specie di piante di tabacco e geni sequenziati da entrambi i lati del callo. Hanno scoperto che l'intero genoma dei cloroplasti era stato scambiato tra il portainnesto e la marza. (Come i mitocondri, i cloroplasti e gli altri organelli vegetali chiamati plastidi sono resti di antichi batteri endosimbiotici e trasportano il proprio materiale genetico.) In effetti, gli interi genomi dei cloroplasti da 150 kilobase erano stati trasferiti intatti, non come frammenti di DNA nudi ricombinati a casaccio tra gli altri. geni. Le ibridazioni accidentali o le infezioni virali, che causano molti trasferimenti orizzontali, non potevano farlo.
"Questo non è quello che ti aspetteresti da una cellula vegetale", ha detto Pal Maliga , scienziato vegetale presso la Rutgers University che ha trovato prove genetiche indipendenti per i trasferimenti di cloroplasti e mitocondri all'interno degli innesti. Le cellule vegetali sono corazzate con una parete cellulare rigida, quindi "la mia immagine di una cellula vegetale era il citoplasma seduto in una gabbia, e nessuno va da nessuna parte", ha detto Maliga.
L'evidenza genetica dei trasferimenti ha posto un vero enigma: le uniche aperture conosciute nelle pareti cellulari erano i minuscoli plasmodesmati, ponti stretti (larghi solo circa 0,05 micron) che consentono alle cellule vegetali adiacenti di scambiare proteine e molecole di RNA. Il cloroplasto, tipicamente di circa 5 micron di diametro, "era troppo grande per muoversi" attraverso quelli, ha detto Maliga. "Sembrava che fosse miracolosamente mostrato nell'altra cella."
Il mistero è persistito fino a quando Bock ha collaborato con il suo collega post-dottorato Alexander Hertle , esperto di imaging e microscopia di cellule vive. Hertle era determinato a vedere cosa stava succedendo nel callo. Esaminando sezioni sottili dell'innesto con il microscopio elettronico, ha visto che le cellule avevano aperture più grandi di qualsiasi altra vista in precedenza. Ma anche quelli con diametro fino a 1,5 micron sembravano troppo stretti per i cloroplasti.
Quindi, mentre osservava le cellule vive nel callo, Hertle ha catturato immagini dei cloroplasti nell'atto della migrazione. Alcuni dei cloroplasti si sono trasformati in proto-plastidi più primitivi e più mobili che potevano arrivare fino a 0,2 micron. Mentre Hertle osservava, i proto-plastidi strisciavano lungo l'interno della membrana cellulare fino a posizionarsi sotto i fori appena scoperti nella parete cellulare. Sporgenze gemmiformi delle membrane cellulari si sono quindi gonfiate nelle cellule vicine e hanno rilasciato gli organelli. Quando l'organizzazione tissutale nell'innesto si è ristabilita, i plastidi sono tornati alle dimensioni normali per i cloroplasti.
"Quindi ci sono sicuramente dei buchi nella parete cellulare che permetterebbero ai plastidi di muoversi", ha detto Hertle. Il dogma secondo cui una parete cellulare vegetale è una barriera spessa, più o meno permanente "praticamente scompare con questo studio".
Uno scambio di guarigione
La metamorfosi dei cloroplasti non è ancora ben compresa, ma sembra essere una risposta alla carenza di carbonio e alla minore fotosintesi, ha spiegato Hertle. Quando i ricercatori hanno spento le luci, hanno osservato che più plastidi si sono dedifferenziati e la frequenza del trasferimento degli organelli è aumentata di cinque volte.
Il modo in cui funzionano i plastidi trasferiti nelle loro nuove cellule ospiti dipende da quanto siano strettamente correlate le due specie, dice Maliga. Se la mancata corrispondenza genetica con il DNA nucleare è troppo estrema, gli organelli potrebbero non funzionare e alla fine andranno persi. Ma potrebbero prosperare nelle celle dei parenti stretti.
Maliga sospetta che i proto-plastidi possano contenere o produrre molecole di segnalazione che aiutano la ferita dell'innesto a guarire. Anche le grandi aperture che si formano nelle pareti cellulari sembrano essere parte della risposta di guarigione di emergenza della pianta alla ferita nel sito dell'innesto, ma possono verificarsi anche durante alcune fasi del normale sviluppo della pianta, dice Maliga.
La migrazione dell'intero organello potrebbe aiutare a spiegare l'osservazione che i cloroplasti provenienti da gruppi di diverse specie di faggi che crescono l'uno vicino all'altro hanno più somiglianze genetiche rispetto ai cloroplasti di assemblaggi più distanziati di faggi, afferma Hertle. Gli eventi di cattura dei cloroplasti spiegano anche perché i ricercatori a volte ottengono risultati incoerenti quando ricostruiscono le storie evolutive delle piante: i genomi nucleari e dei cloroplasti possono avere pedigree differenti.
Non è ancora chiaro con quale frequenza questo tipo di trasferimento del genoma orizzontale attraverso la migrazione degli organelli avvenga in natura. Forse le piante spostano regolarmente i cloroplasti tra le cellule in risposta a lesioni o altri eventi; nessuno sa. Bock, Maliga e altri ricercatori sono stati in grado di documentare i trasferimenti del genoma solo perché le differenze nei tessuti innestati rivelavano ciò che stava accadendo. Ma se le piante hanno sviluppato un meccanismo per il trasferimento degli organelli, allora eventi di innesto naturale relativamente rari potrebbero essere solo un'occasione per loro.
Comune o no, il fenomeno potrebbe avere implicazioni evolutive o ecologiche. Hertle sottolinea che una volta che una cellula a mosaico in un callo innestato inizia a produrre radici, germogli e fiori, potrebbe dare origine a una nuova specie o sottospecie, soprattutto se le pareti cellulari si aprono abbastanza da ammettere genomi nucleari. Nel 2014, il team di Bock ha utilizzato questo metodo per creare una nuova specie nella famiglia della belladonna con una combinazione di genomi nucleari e organelli che non avrebbero potuto derivare dall'ibridazione. Se la natura offre un modo semplice per trasferire gli organelli tra le piante, i ricercatori di biotecnologia possono metterlo al lavoro per creare nuove specie di colture desiderabili.
Sebbene le potenziali applicazioni siano molte, per Hertle niente batte la gioia della scoperta di base. "La cosa molto interessante della scienza della microscopia è che vedi cose che non avresti mai pensato esistessero", ha detto.
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/plant-cells-of-different-species-can-swap-organelles-20210120/ in data Wed, 20 Jan 2021 16:00:32 +0000.