I nutrienti chiave aiutano le piante a combattere alte temperature e colpi di calore

Le temperature globali sono in aumento e le piante non possono regolare le proprie temperature, sono particolarmente sensibili a questi cambiamenti di temperatura. A temperature più elevate, le piante istruiscono i loro sistemi di radici a crescere più velocemente, creando lunghe radici che si estendono attraverso il terreno per assorbire più acqua e sostanze nutritive. Mentre questa risposta può aiutare le piante a breve termine, una nuova ricerca suggerisce che è sia insostenibile per le piante che potenzialmente dannosi per gli esseri umani a lungo termine.

I ricercatori del Salk Institute hanno scoperto che quando alcune piante rispondono alle alte temperature con una rapida crescita delle radici, stanno riducendo i loro livelli di due importanti nutrienti - azoto e fosforo - che li rende meno nutrienti se consumati. Allo stesso tempo, se il terreno contiene basse quantità di questi nutrienti, le piante tornano a una crescita delle radici più lente e non rispondono adeguatamente alle temperature più elevate.

I risultati sono stati pubblicati su Nature Communications il 1 giugno 2024.

“Il riscaldamento globale porterà a un aumento significativo delle temperature sulla Terra e le piante risponderanno inevitabilmente”, afferma il professor Wolfgang Busch, autore senior dello studio, direttore esecutivo della Harnessing Plants Initiative e Hess Chair in Plant Science. “Il fatto che temperature più elevate esaurismino questi importanti nutrienti nelle piante è una vera preoccupazione per il futuro delle diete umane e animali, e certamente qualcosa che vogliamo spiegare mentre lavoriamo per progettare colture più resilienti”.

I ricercatori di Salk hanno esaminato Arabidopsis thaliana, una piccola pianta da fiore nella famiglia della senape. Nei primi esperimenti, notarono che la parte fuori terra della pianta, chiamata a germogliare, si allungava quando esposta a calore elevato. Ciò ha portato il team di Salk a chiedersi come queste temperature abbiano influenzato le radici della pianta e se le piante coltivate, come il riso o la soia, potrebbero rispondere in modo simile.

Per rispondere a queste domande, i ricercatori hanno alzato il calore e hanno visto le radici di Arabidopsis, riso e piante di soia crescere. Proprio come la crescita di Arabidopsis ha accelerato sotto le alte temperature, le sue radici, così come le radici di riso e soia, hanno accelerato la loro crescita. Ma c'era un avvertimento: la rapida crescita si basava sull'abbondante presenza di azoto e fosforo nel terreno.

"L'azoto e il fosforo sono cruciali per la crescita, lo sviluppo e la riproduzione delle piante, quindi sono già nella maggior parte dei fertilizzanti", afferma Sanghwa Lee, primo autore dello studio e ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Busch. “Avendo collegato i punti tra questi nutrienti e la termomorfogenesi, ora possiamo lavorare per ingegnerizzare le piante e ottimizzare i fertilizzanti che assicurano che la crescita non sia limitata dalla mancanza di azoto e fosforo a temperature più elevate”.

In Arabidopsis, la relazione tra crescita delle radici più veloce e livelli di azoto e fosforo dipendeva da due proteine: HY5 e NRT1.1. HY5 è un fattore di trascrizione, un tipo di proteina che regola quando i geni specifici saranno trasformati "on" o "off". HY5 sovrintende alle istruzioni genetiche per NRT1.1, una proteina che rileva l'azoto ed è coinvolta nella regolazione dei livelli di fosforo e nella coordinazione della crescita delle radici delle piante.

Nelle alte temperature, HY5 e NRT1.1 lavorano insieme per condurre la termomorfogenesi. Ma con la caduta dei livelli di azoto e fosforo, HY5 inizia a sopprimere l'espressione di NRT1.1 e la crescita delle radici rallenta.

Sia il riso che la soia hanno proteine simili che condividono un antenato genetico comune con HY5 e NRT1.1. Busch afferma che le versioni di riso e soia di HY5 e NRT1.1 richiederanno ulteriori indagini, ma è probabile che influenzino la crescita delle radici e l’assorbimento dei nutrienti in modo simile a HY5 e NRT1.1 di Arabidopsis.

“Ora è chiaro che l’azoto e il fosforo sono fondamentali per controllare la crescita delle radici sotto lo stress delle temperature più elevate”, afferma Busch. “Questo sarà cruciale da considerare mentre lavoriamo per superare le sfide che il riscaldamento globale pone sulla produzione su larga scala di cibo nutriente per una popolazione globale in crescita”.