Funghi e batteri possono distruggere enormi quantità di raccolti e da generazioni gli agricoltori si difendono con la chimica. Eppure le piante hanno un proprio sistema immunitario, con un allarme, dei soldati e un interruttore di sicurezza. Alcuni ricercatori europei hanno studiato come funziona all’interno di una singola cellula e che cosa potrebbe significare per un’agricoltura con meno pesticidi. Leggi che cosa hanno scoperto e, alla fine, verifica con un breve test quanto ricordi.
Le infezioni fungine e batteriche distruggono ogni anno fino al 40% delle colture. Da generazioni gli agricoltori cercano di proteggere i campi con prodotti fitosanitari chimici, cioè con i pesticidi. Questi contribuiscono alla sicurezza alimentare, ma agiscono in modo indiscriminato: danneggiano non solo i patogeni, ma anche altri organismi e l’ambiente nel suo complesso.
Per questo la strategia «dal produttore al consumatore», pilastro fondamentale del Green Deal europeo, mira a dimezzare l’impiego di pesticidi entro il 2030. Rinunciare alla chimica non basta: serve un approccio completamente nuovo per rendere le colture più resilienti. Una delle strade possibili è osservare come le piante stesse affrontano le infezioni.
È proprio di questo che si è occupato il team del progetto ImmunoZoneHubs, finanziato dal programma di azioni Marie Skłodowska-Curie (MSCA). Si tratta di un programma dell’UE che finanzia la ricerca e la crescita professionale di ricercatori in diverse fasi della carriera, spesso presso istituti all’estero. Gli scienziati hanno deciso di guardare all’interno delle singole cellule e di verificare come specifiche proteine e i cosiddetti geni marcatori reagiscono a una minaccia.
L’obiettivo era duplice. Primo, capire meglio i meccanismi di difesa naturali delle piante. Secondo, sfruttare queste conoscenze per sviluppare strategie che permettano di ridurre l’uso di pesticidi in agricoltura.
Per le ricerche è stata scelta l’Arabidopsis thaliana. È una piccola pianta originaria dell’Europa, ampiamente utilizzata per la ricerca sulla biologia cellulare delle piante. I biologi la definiscono un organismo modello, cioè una specie su cui si studiano fenomeni comuni a molti altri organismi, per poi estendere le conclusioni anche ad essi.
L’Arabidopsis si presta a questo ruolo per diversi motivi: è facile da coltivare, ha un ciclo vitale rapido e un genoma di piccole dimensioni. In pratica, in laboratorio si possono ottenere molte generazioni in poco tempo e seguire con relativa facilità ciò che accade a geni specifici.
Curiosità: la poco appariscente Arabidopsis appartiene alla famiglia delle crucifere, la stessa di cavoli, broccoli e ravanelli. Le scoperte fatte su questa «erbaccia» potrebbero quindi aiutare anche le piante che finiscono nei nostri piatti.
Per comprendere le risposte immunitarie nelle cellule di Arabidopsis, il team ha unito diversi campi del sapere. Ha utilizzato:
Questa combinazione ha permesso ai ricercatori di comprendere i meccanismi con cui le piante identificano e combattono le infezioni. È un buon esempio di come la biologia moderna sia raramente il lavoro di una sola specialità: più spesso richiede un team di persone con competenze diverse.
La risposta immunitaria nelle piante, come negli animali, richiede che le cellule riconoscano un agente patogeno e lo distruggano. Le piante, però, non hanno cellule immunitarie che circolano nell’organismo, quindi ogni cellula deve sapersi difendere da sola. Una delle loro strategie è la morte cellulare programmata: la cellula infetta «si sacrifica» perché il patogeno non si diffonda oltre.
Questo meccanismo non riguarda solo le cellule già infette. Coinvolge anche quelle che si sono riorganizzate in risposta al patogeno e si trovano in uno stato di massima allerta immunologica. È un po’ come una zona di sicurezza intorno a un focolaio di malattia.
Un ruolo chiave spetta qui alla proteasi metacaspasi 1 (MC1). Le proteasi sono enzimi che tagliano altre proteine e possono quindi disattivarle o attivarle. I ricercatori hanno scoperto che, quando il sistema immunitario viene attivato, MC1 cambia posizione all’interno della cellula e interagisce con componenti chiave del sistema immunitario. In questo modo amplifica efficacemente la segnalazione dell’immunità cellulare.
C’è però un problema. Se non vengono tenute sotto controllo, le cellule in questo stato possono innescare una risposta autoimmune, cioè iniziare ad attaccare la pianta stessa. L’organismo deve quindi saper non solo accendere l’allarme, ma anche spegnerlo.
Qui entra in gioco l’autofagia, un meccanismo di riciclaggio interno grazie al quale la cellula scompone e recupera i componenti inutili o danneggiati. Come spiega Laia Armengot, borsista MSCA: «Questi hub macromolecolari di MC1 vengono successivamente individuati e degradati dal meccanismo di riciclaggio interno della pianta, ovvero l’autofagia».
Secondo la ricercatrice, questo processo rivela la presenza di un «interruttore di spegnimento» omeostatico, che smantella il meccanismo che innesca la morte cellulare una volta repressa la minaccia. L’omeostasi è la capacità di un organismo di mantenere l’equilibrio: in questo caso, l’equilibrio tra una difesa efficace e la distruzione dei propri tessuti.
Il secondo elemento importante sono i geni marcatori. Un gene marcatore è un gene la cui attività serve agli scienziati come segnale, un indicatore di ciò che accade nella cellula. Questi geni svolgono un ruolo cruciale nel determinare la morte cellulare correlata all’immunità.
«Un risultato chiave del progetto è la caratterizzazione funzionale di un gene marcatore che funge da indicatore affidabile dell’impegno al suicidio cellulare», spiega Armengot. Il team ha inoltre individuato nuove attività enzimatiche e funzioni subcellulari che regolano le decisioni di vita o morte delle cellule in risposta a stress ambientali, come l’attacco dei patogeni.
Il passo successivo è studiare a fondo l’azione dei geni marcatori e degli hub MC1, sia nelle piante modello che nelle colture agricole. Se ci si riuscirà, le scoperte del progetto potrebbero trasformare la produzione alimentare in Europa. «Comprendendo il modo in cui le piante limitano naturalmente le zone di morte cellulare e disattivano le cascate immunitarie», osserva Armengot, «i selezionatori potranno progettare colture “più intelligenti”».
È importante sottolineare che i meccanismi descritti sono universali e non sono specifici per alcun patogeno in particolare. Questo apre diverse possibilità:
Ricerche come ImmunoZoneHubs uniscono biologia, biotecnologie e agricoltura. Sono settori in cui lavorano laureati in biologia, biotecnologie, scienze orticole o agrarie, ma anche bioinformatici che analizzano dati genetici. Proteggere le piante senza un eccesso di chimica è una delle sfide che l’agricoltura europea dovrà affrontare nei prossimi anni.
Le piante si difendono dai patogeni sacrificando le cellule infette, e la proteina MC1 amplifica questo allarme. Perché la difesa non si ritorca contro la pianta, l’autofagia funziona come un interruttore di sicurezza. Conoscere questi meccanismi e il gene marcatore che rivela la disponibilità di una cellula a sacrificarsi può aiutare i selezionatori a creare colture più resistenti e a ridurre i pesticidi.
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