Come le piante affrontano il jet lag Understand article

Tradotto da Francesca Nuzzo. Un nuovo studio sta facendo luce sugli “orologi” interni che aiutano le piante a rispondere a modifiche dei cicli giorno-notte.

Illustrations of ‘sleep movements’ of Medicago leaves
Foto dei “movimenti notturni” delle foglie di
Medicago, dal libro di Charles Darwin
The Power of Movement in Plants

Charles Darwin (1898) / Wikimedia
Commons, public domain
 

Avete mai provato il senso di disorientamento da jetlag dopo un volo a lungo raggio? Motivo di tale malessere è la discrepanza tra l’ambiente esterno e il nostro orologio biologico: la luce solare ci dice che siamo a metà pomeriggio, ma il nostro orologio interno segnala che è ora di dormire. Tale orologio – noto anche come orologio circadiano, o ritmo circadiano – controlla il nostro ritmo biologico. E’ frutto di un adattamento evolutivo al vivere su un pianeta in rotazione dove i livelli di luce e temperatura fluttuano nell’arco di 24 ore, con effetti sul nostro sonno, sul nostro metabolismo e su altri aspetti della nostra fisiologia. Il termine ‘circadiano’ deriva dal latino ‘circa’ e ‘dies’, che signifcano appunto intorno al giorno.

I ritmi circadiani sono stati scoperti per la prima volta nelle piante, e il primo report risale al IV secolo a.C., quando un ammiraglio della flotta di Alessandro Magno descrisse i ritmi quotidiani delle foglie di tamarindo. Nel 1800, nel suo libro The Power of Movement in Plant, Charles Darwin descrisse i “movimenti del sonno” della foglia, dopo aver osservato che le foglie di Medicago si richiudevano di notteQuindi se le piante hanno degli orologi biologici, significa che potrebbero risentire del jet lag?
 

Analisi dei ritmi circadiani

Poichè i nostri ritmi circadiani sono controllati da un orologio interno, tali ritmi persistono anche quando le condizioni esterne (come la luce) sono costanti. Ciò li rende più complessi dei ritmi diurni, che sono semplici risposte a condizioni esterne e che non si verificano più nel momento in cui tali condizioni rimangono costanti. Molti ritmi quotidiani sono ritmi circadiani, ma esiste un test facile per definire se un processo biologico è un ritmo circadiano puro o no. I ricercatori espongo un organismo (vegetale o animale) a stimoli con cicli di 24h (e.g. 12 ore di luce, seguite da 12 ore di buio). Successivamente, l’organismo è esposto a condizioni continue (e.g. luce costante) e il processo è misurato per diversi giorni. Se il ritmo (ad esempio il ciclo sonno-veglia o la temperatura corporea) persiste nonostante le condizioni rimangono costanti, allora esso è controllato da un orologio biologico interno e non è solo una risposta al fluttuare delle condizioni ambientali (figure 1). Il test è stato usato su diversi organismi, ed ora sappiamo che mammiferi, insetti, piante e persino alcuni batteri hanno degli orologi circadiani.
 

Figure 1: Experimental test to identify a diurnal or circadian rhythm
Figura 1: Esperimento per identificare un ritmo diurno o circadiano
Katharine Hubbard
Diurnal rhythm: Ciclo diurno;
24-hour rhythm ends in constant conditions, indicating a direct response to light/dark: Il ritmo di 24 ore termina in condizioni costanti, evidenza di una diretta risposta a luce/buio;
Circadian rhythm: Ritmo circadiano;
24-hour rhythm persists in constant conditions, indicating that it is controlled by an internal clock: Il ciclo di 24 ore persiste in condizioni costanti, indicando che è controllato da un orologio interno;
Biological marker: Marker biologici;
light: luce;
dark: buio;
Constant light: Luce costante;
Time (hours): Tempo (ore)

 

Le piante tengono traccia del tempo

Si sa ora che l’orologio circadiano controlla quasi tutti gli aspetti della biologia delle piante, incluso crescita, fioritura, fotosintesi ed apertura-chiusura degli stomi. Nella maggior parte delle piante, gli stomi si aprono appena prima dell’alba affinchè le piante possano iniziare la fotosintesi non appena la luce è disponibile. Le piante usano i loro orologi biologici interni anche per ‘misurare’ la durata del giorno, che determinerà il loro periodo di fioritura. Ad esempio, alcune piante a giorno corto (e.g. riso, crisantemo) fioriscono solo quando la luce del giorno è più breve di una certa lunghezza critica. Il crisantemo, ad esempio, fiorirà se il giorno è più corto di 15 ore, quindi tende a fiorire in primavera o autunno. Le piante a giorno lungo (e.g. lattuga, spinaci) hanno un comportamento opposto, quindi fioriranno solo quando il giorno supera una determinata lunghezza critica d’estate. Al contrario, piante a giorno neutro non sono sensibili alle ore di luce. Piante a giorno corto e lungo con un ritmo circadiano alterato fioriscono in anticipo o in ritardo rispetto al normale, proprio perchè incapaci di determinare la lunghezza del giorno. Orologi non funzionanti possono addirittura alterare i meccanismi di difesa delle piante, impedendo loro di sintetizzare le molecole di difesa al momento giusto, rendendole incapaci di contrastare gli attacchi degli insetti.

Gli orologi circadiani hanno così importanti ripercussioni sulla produttività agricola. Esperimenti sulla pianta modello Arabidopsis dimostrano che, in laboratorio, in condizioni controllate, piante con orologio circadiano alterato crescono meno di quelle con orologio funzionante. Questo perchè piante con un orologio non funzionale producono meno clorofilla ed hanno livelli fotosintentici più bassi (Dodd et al., 2005).

Così come l’orologio controlla il tempo di fioritura, esso determina anche il periodo di raccolta delle specie coltivate. Ad esempio, l’orzo coltivato in Europa meridionale è sensibile alla lunghezza del giorno, fiorisce quindi all’inizio della primavera ed è raccolto all’inizio dell’estate, prima dell’arrivo del caldo torrido. Nel Nord Europa, invece, il clima è più freddo; l’orzo coltivato lì ha una mutazione naturale che cambia il modo secondo cui l’orologio regola i geni responsabili del periodo di fioritura, rendendo le piante meno sensibili alla durata del giorno. Questa mutazione consente alle piante di sfruttare i lunghi giorni estivi ed essere raccolti in autunno. Di conseguenza, cresce l’interesse delle aziende biotecnologiche sui ritmi circadiani e loro manipolazione, nella speranza di incrementare la resa del raccolto.
 

Research into plant circadian clocks has important implications for agricultural productivity.
Ricerche sui ritmi circadiani hanno importanti implicazioni sulla produttività agricola.
stanvpetersen/pixabay.com

Genetica dei ritmi circadiani

Come funziona il ritmo circadiano? La risposta è nella genetica delle piante. L’orologio consiste di differenti geni che si controllano l’un l’altro secondo una sorta di auto-regolazione nota come sistema a feedback negativo. La figura 2 mostra come funziona la regolazione genetica usando un orologio circadiano a due geni. Il gene A è acceso (e.g. mediante un processo luce dipendente) e produce la proteina A. Quest’ultima attiva il gene B, con conseguente sintesi della proteina B. La proteina B reprime l’espressione del gene A,  quindi i livelli di proteina B diminuiscono, permettendo al gene A di essere nuovamente espresso. Si instaura dunque un ciclo in cui la proteina A è prodotta in momenti opposti alla proteina B. Se ognuna di queste fasi regolatorie dura 12 ore, il risultato è un ritmo di 24 ore che permane in condizioni costanti (e.g. 24 ore di luce continua).

In realtà, il meccanismo sotteso ai ritmi circadiani è più complicato di questo: l’orologio circadiano delle piante coinvolge una rete di oltre 20 geni e relative proteine (McClung, 2019). L’orologio è talmente complesso che i biologi si stanno arrovellando per capire tutte le connessioni e prevedere cosa accade se il sistema dovesse essere perturbato. Perciò per affrontare il problema, biologi e matematici hanno collaborato per creare dei modelli computazionali dell’orologio circadiano, ora utilizzati per pianificare gli esperimenti. Ad esempio, sono stati creati dei modelli che integrano informazioni sui livelli di luce,  disponibilità di CO2 e temperatura con  modelli di espressione di geni circadiani, che sono poi usati per predire il tasso di crescita delle piante esposte a giorni di durata diversa.

Figure 2: Negative feedback loop for a simple circadian clock
Figura 2: Sistema a feedback negativo per un orologio circadiano semplice.
Katharine Hubbard
Lights activates expression of gene A: La luce attiva l’espressione del gene A;
Protein B represses expression of gene A: La proteina B reprime l’espressione del gene A;
Protein A activates expression of gene B: La proteina A attiva l’espressione del gene B;
Gene: Gene;
Protein: Proteina;
Protein concertration: Concentrazione della proteina;
Time (hours): Tempo (ore)

Evitare il jet lag

Una delle principali differenze tra gli orologi circadiani delle piante e quelli degli uomini è il sistema di controllo a livello centrale.  Il nostro orologio circadiano è coordinato da un’area del cervello detta nucleo soprachiasmatico (SNC), situato nell’ipotalamo. La sera, il SNC segnala alla ghiandola pineale nel cervello di produrre melatonina, che viaggiando lungo il corpo, predispone gli altri organi, come stomaco e fegato, al sonno. Poichè il nostro orologio circadiano dipende ampiamente dagli ormoni circolanti nel flusso sanguigno, qualsiasi risposta circadiana è relativamente lenta. Quando qualcuno subisce una disritmia, varie parti del suo corpo finiscono con l’ essere impostate su fusi orari diversi. Possono essere necessari alcuni giorni dopo un volo affinchè tutte le aree del corpo adottino di nuovo lo stesso ritmo.

Ciò si discosta abbastanza dall’orologio circadiano delle piante, che è pensato per funzionare a livello di singole cellule. Ogni cellula della pianta ha i propri fotorecettori e orologi circadiani, quindi a differenza dell’uomo, le singole cellule possono rispondere alla luce. Se si copre parte di una pianta con carta stagnola, si induce una parte della foglia a pensare che sia giorno e l’altra parte che sia notte. Tale differenza nella struttura dell’orologio fa si che le piante possano correggere più facilmente i loro ritmi circadiani, pertanto se una pianta fosse trasportata in giro per il mondo, si adatterebbe molto meglio di noi al cambiamento di fuso orario e, nel complesso, il jet lag non sarebbe un grosso problema. A differenza degli uomini, le piante superano il jet lag nel giro di poche ore e non giorni.

Comprendere se le piante possono adattarsi ai fusi orari potrebbe essere un’interessante curiosità biologica, ma capire la biologia alla base dei ritmi circadiani delle piante ci ha insegnato molto sulla regolazione dei geni – e ciò potrebbe aiutarci nell’aumentare la resa del raccolto in futuro.

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References

Resources

  • Per video time-lapse che fanno vedere i ritmi circadiani in varie specie di piante, consultare il sito web Plants in Motion.
  • Leggete un breve libro introduttivo sui ritmi circadiani degli uomini e il loro impatto sul benessere. Consultare:
    • Foster R, Kreitzman L (2017) Circadian Rhythms: A Very Short Introduction. Oxford, UK: Oxford University Press. ISBN: 9780198717683
  • L’ American Society for Plant Biology ha pubblicato del materiale didattico sui ritmi circadiani. Sebbene pensati per studenti universitari, il materiale puà essere utile per integrare delle lezioni scoalstiche o per ispirare progetti. Consultare:
  • Leggete un articolo sulla rivista Biology che celebra l’assegnazione del Premio Nobel 2017 per la Fisiologia e Medecina a tre biologi per le loro scoperte sui meccanismi di controllo dei ritmi circadiani.

Author(s)

Katharine Hubbard insegna biologia all’Università di Hull, nel Regno Unito. È specializzata in biologia delle piante, con particolare enfasi sui ritmi circadiani, sistemi di signalling nelle piante e risposta delle piante all’ambiente. Attualmente insegna biologia cellulare e biologia delle piante agli studenti universitari, e ci tiene particolarmente a coinvolgere gli studenti nella ricerca sulla biologia delle piante moderne.


Review

Vi siete mai chiesti perchè alcune piante fioriscono in inverno e altre in estate? O perchè dormiamo di notte e siamo svegli di giorno? La rispostsa è nel ritmo circadiano, un processo che avviene negli animali e nelle painte ed è anche respondabile del jet lag. L’articolo esplora la biologia del ritmo circadiano in modo chiaro e preciso, e considera il ruolo di geni e ormoni nel regolare i nostri ritmi giornalieri. Oltre a rispondere alle seguenti domande, l’articolo può essere sfruttato per discutere in senso più ampio l’effetto delle condizioni ambientali sulla produttività delle piante e l’ impatto del cambiamento climatico e dell’ambiente sui ritmi circadiani.

Possibili domande di compresione:

  • Qual è la differenza tra ritmi circadiani e diurni?
  • Perchè le piante fioriscono in stagioni diverse?
  • Come le mutazioni genetiche possono influenzare la produttività?
  • Perchè le piante correggono il loro ritmo circadiano più velocemente degli uomini?

Monica Menesini, insegnante di scienze, Italia.




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