Botanica: l’orologio circadiano delle piante, con geni che si attivano con la fotosintesi

Alcuni scienziati hanno rivelato come gli orologi biologici delle piante le aiutino a reagire ai cambiamenti legati all’alba e al tramonto nonché alla durata del giorno. Questi risultati hanno gettato nuova luce su come gli esseri viventi reagiscono al cambiamento dei ritmi della luce del giorno e potrebbero aiutarci a capire meglio gli effetti del jetlag e dei turni lavorativi.

I risultati, ottenuti da scienziati in Ungheria e nel Regno Unito, sono stati pubblicati sulla rivista Molecular Systems Biology. L’UE ha sostenuto questo lavoro attraverso il progetto EUCLOCK (“Entrainment of the circadian clock”), che ha ricevuto 12,3 Mio EUR nell’ambito dell’area tematica “Scienze della vita, genomica e biotecnologia per la salute” del Sesto programma quadro (6° PQ).

Molti esseri viventi hanno orologi circadiani che assicurano che vari aspetti metabolici, fisiologici e comportamentali avvengano nei momenti ottimali nel corso della giornata. Studi hanno dimostrato che diversi geni sono più attivi in momenti precisi della giornata e geni a essi collegati dal punto di vista funzionale sono spesso regolati per essere attivi nello stesso momento. Gli orologi biologici che controllano questi processi sono “sincronizzati” tramite informazioni come per esempio la luce.

Gli orologi biologici aiutano le piante a gestire in modo ottimale il metabolismo del carbonio. Durante il giorno, le piante usano energia proveniente dal Sole per trasformare il biossido di carbonio in zuccheri e ossigeno. Questo avviene in parti della pianta detti cloroplasti. Alcuni degli zuccheri vengono trattenuti nei cloroplasti in forma di “amidi transitori”.

“Questi vengono scomposti per dare origine a zuccheri durante la notte, prevenendo l’inibizione della crescita della pianta causata dall’inedia,” scrivono i ricercatori. “Diversi geni coinvolti nel metabolismo degli amidi sono regolati ritmicamente,” aggiungono.

In questo studio, i ricercatori hanno testato diversi modelli matematici e hanno condotto vari esperimenti per determinare la complessità dei processi che controllano l’orologio circadiano della Arabidopsis thaliana. Volevano inoltre determinare come l’orologio mantiene abbastanza flessibilità da adattarsi ai cambiamenti stagionali e agli orari di alba e tramonto.

I loro studi hanno dimostrato che un modello matematico con tre anelli di retroazione era migliore per prevedere i risultati di esperimenti pratici rispetto a modelli con solo uno o due anelli di retroazione.

“Abbiamo mostrato che una maggiore complessità del modello permetteva alla fase circadiana dei componenti del modello di cambiare flessibilmente in risposta al fotoperiodo del ciclo luce-buio,” affermano gli scienziati.

Secondo i ricercatori, “Il comportamento del modello può essere concettualmente diviso negli effetti degli input della luce, gli effetti delle ore del giorno del ciclo del mattino sui geni che si esprimono la sera, e gli effetti delle ore notturne del ciclo della sera sui geni che si esprimono la mattina.”

Gli scienziati credono che le loro scoperte potrebbero essere importanti per le scienze agrarie. “Tempi corretti dei processi ritmici, come la degradazione degli amidi, sono fondamentali per la crescita, è quindi molto probabile che questa regolazione temporale della fisiologia vegetativa sia stata soggetta a selezione naturale e potrebbe contribuire al miglioramento delle colture,” sottolineano.

I risultati potrebbero avere implicazioni anche per la medicina umana; la sonnolenza, la temperatura corporea, la pressione sanguigna e la forza fisica variano secondo un ritmo di 24 ore.

“I nostri risultati ci danno informazioni preziose su come le piante – e le persone – reagiscono ai cambiamenti della durata del giorno,” ha commentato il professor Andrew Millar dell’Università di Edimburgo nel Regno Unito, che ha coordinato lo studio. “Potrebbero fornire un nuovo metodo per capire come adattarsi quando i ritmi giornalieri di luce e buio vengono interrotti.”

Per maggiori informazioni, visitare:

University of Edinburgh:
http://www.ed.ac.uk

Molecular Systems Biology:
http://www.nature.com/msb/index.html

EUCLOCK:
http://www.euclock.org/