"Alberi parlanti": il linguaggio chimico delle piante


    È possibile che le piante siano in grado di comunicare? Secondo gli studi più recenti sembrerebbe di sì.

    Tali studi mostrano l'esistenza di un vero e proprio linguaggio chimico, attraverso il quale le piante interagiscono con l'ambiente, più precisamente con altre piante e con i loro predatori (erbivori e organismi patogeni).

    Come è strutturato il linguaggio delle piante e, soprattutto, come funziona?

    L'esistenza di meccanismi di interazione tra pianta e ambiente è riconosciuta ormai da tempo nel mondo scientifico.

    La chiave di questa interazione è data dagli innumerevoli composti chimici che le piante stesse producono e rilasciano nell'ambiente circostante, oppure scambiano con gli organismi (per lo più patogeni), innescando profonde modificazioni nel metabolismo cellulare.

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    Questi composti sono denominati metaboliti secondari, e il loro nome riflette solo in parte l'importante funzione ecologica da essi svolta nel mondo vegetale.

    Le piante sono sottoposte a continui attacchi da parte di numerosi organismi eterotrofi, per i quali i tessuti vegetali rappresentano la fonte primaria di cibo.

    Inoltre, la competizione per le risorse (acqua, luce, sali minerali, simbionti) si realizza anche nell'ambito di una stessa comunità vegetale.

    Le piante, a causa della loro immobilità, sembrerebbero svantaggiate, rispetto agli animali, nella difficile lotta per la competizione.

    Come fanno allora a difendersi e a sopravvivere?

    L'evoluzione è giunta in soccorso dotandole della capacità di sintetizzare un'enorme varietà di metaboliti secondari, la cui funzione ecologica è per lo più difensiva; ma la cosa importante è che essi costituiscono una sorta di "vocabolario" con il quale le piante mettono in atto i propri sistemi di comunicazione.

    Ad esempio, i pigmenti che determinano la colorazione dei petali fiorali (antocianine e betalaine) sono in parte un sistema per attrarre gli insetti impollinatori.

    In altri casi le piante producono sostanze velenose, composti con funzione antibatterica (fitoalessine), oppure sostanze allelopatiche, che agiscono sui fenomeni di accrescimento e sviluppo di altre specie vegetali.

    Ma la scoperta più interessante sembra provenire dal Max Planck Institute for Chemical Ecology di Jena, Germania che, in collaborazione con altri istituti, ha messo a punto degli esperimenti volti a dimostrare la capacità delle piante di "parlare" tra loro e soprattutto di "ascoltare" i messaggi provenienti dalle piante vicine.

    Tutto ciò è possibile grazie a composti organici volatili (COV) che agiscono da segnali chimici per l'attivazione di meccanismi di difesa.

    Le piante scambiano enormi quantità di gas, tra cui l'anidride carbonica (CO2).

    Circa il 36% del carbonio assimilato come CO2 viene rilasciato in forma di COV, molti dei quali agiscono da mediatori nei vari sistemi di interazione tra piante e organismi dei livelli trofici più alti.

    Ciò ha suggerito che anche le interazioni pianta-pianta potessero realizzarsi con le stesse modalità, e cioè mediante COV. I risultati dei primi esperimenti furono spiegati dal trasferimento aereo dell'informazione, per cui il fenomeno fu chiamato "alberi parlanti".

    In realtà la selezione naturale tende a premiare principalmente le piante capaci, più che di "parlare", di "ascoltare" i messaggi rilasciati dalle vicine e di rispondere adattando il fenotipo all'ambiente.

    Ciò consente alle piante di incrementare la propria fitness, vale a dire la probabilità di sopravvivenza e riproduzione.

    Di cosa parlano le piante?

    Un ovvio argomento di conversazione riguarda come impedire l'attacco degli erbivori, e la maggior parte delle risposte mediate da COV sono state interpretate in tal senso.

    Le piante possono essere esposte ai COV rilasciati da piante appartenenti alla stessa specie oppure a specie differenti.

    L'interazione tra Nicotiana attenuata (il tabacco selvatico) e Artemisia tridentata è forse il miglior esempio documentato, presente in natura, di comunicazione tra piante mediata da COV: l'artemisia danneggiata (pianta emettitrice), rilascia nell'aria un bouquet di COV, costituito da sostanze altamente volatili [etilene, metanolo, metacroleina e alcuni monoterpeni (A)] e da composti più pesanti, con minore volatilità [ cis-3-esanale (B) e trans-2-esanale (D), metilgiasmonato (C) e monoterpeni ossigenati (E)].

    Si è osservato che, se poste entro 15 cm di distanza dall'emettitrice, le piante di tabacco (piante riceventi) subiscono meno l'erbivoria e producono più capsule seminifere rispetto a piante poste nelle immediate vicinanze dell'artemisia non danneggiata.

    Come avviene il trasferimento delle informazioni?

    Quattro fasi caratterizzano il trasferimento di COV: il rilascio del segnale da parte della pianta emettitrice, il suo trasporto, l'assorbimento e l'acquisizione da parte della pianta ricevente.

    Il tutto influenzato dalle proprietà del segnale e dal contesto biologico.

    Gran parte della ricerca sul rilascio del segnale è incentrata sull'attivazione di enzimi biosintetici e sulla disponibilità  dei loro substrati.

    Tuttavia il rilascio di COV fogliari è controllato anche dalle proprietà chimiche dei composti stessi.

    Una volta rilasciato nello spazio di testa (che è lo spazio immediatamente circostante la foglia dell'emettitrice), il segnale potenziale deve essere trasportato alle piante riceventi.

    La direzione e le dinamiche di questo trasporto sono dettate dalla temperatura, dai moti convettivi e dal vento per i segnali trasportati al di sopra del terreno, dall'acqua per quelli che viaggiano sotto terra.

    I piccoli composti altamente volatili si disperdono per diffusione, e la loro funzione di segnale è probabilmente limitata al sistema fogliare dell'emettitrice (segnale sistemico) e alle piante adiacenti.

    I composti meno volatili, invece, sono trasportati dal flusso turbolento e funzionano verosimilmente come segnali su lunghe distanze.

    L'assorbimento sulla superficie vegetale e l'acquisizione all'interno della foglia ricevente avvengono, infine, attraverso le aperture stomatiche e la diffusione cuticolare.

    Una volta che il messaggio è stato recapitato, la pianta può effettivamente rispondere solo se i COV sono attivi, e in tal caso mostrerà una serie di cambiamenti nella trasduzione del segnale, nella sintesi di proteine e in generale nel metabolismo.

    Diversi composti cui è stata attribuita una funzione di segnale chimico (tra cui etilene e metilgiasmonato) hanno funzioni ormonali o ormone-simile. Tuttavia, non esiste la prova certa, in natura, che essi possano essere rilasciati e trasportati in quantità sufficienti a generare una risposta.

    Le emissioni di COV in natura, sia quelle costitutive, sia quelle indotte dal danneggiamento di un erbivoro, sono infatti modulate da vari fattori di stress biotico e abiotico che, causandone un'elevata variabilità, rendono difficoltosa la sperimentazione.

    Per limitare l'inconveniente, gran parte degli studi sulla comunicazione pianta-pianta sono stati condotti in laboratorio, in condizioni sperimentali (camere sigillate o a ridotto flusso d'aria) che aumentano l'esposizione delle piante ai COV massimizzando la probabilità di registrare risposte soddisfacenti.

    Sebbene questi studi abbiano confermato l'esistenza di meccanismi di comunicazione tra piante, la loro rilevanza ecologica resterà  poco chiara fino a che non saranno validati da esperimenti in campo.

    I progressi nella ricerca sulla biosintesi di COV e sulla loro percezione hanno facilitato la produzione di piante transgeniche da utilizzare negli esperimenti in campo, geneticamente "sorde" a particolari COV oppure "mute" in alcuni elementi del vocabolario volatile.

    Si tratta di mutanti ottenuti con il silenziamento di geni coinvolti nella biosintesi di particolari COV oppure di recettori per i COV.

    Queste piante, assieme ai progressi nella strumentazione analitica, consentiranno ai ricercatori di determinare se e in che modo la "scorrevolezza del linguaggio" incrementa la fitness delle piante nelle comunità naturali.

    Bibliografia

    Baldwin I.T., Halitschke R., Pashold A., von Dahl C.C., Preston C.A. (2006), Volatile Signaling in Plant-Plant Interactions: ''Talking Trees'' in the Genomics Era, Science, 311: 812-815.

    Kutchan T.M. (2001), Ecological Arsenal and Developmental Dispatcher. The Paradigm of Secondary Metabolism, Plant Physiology, 125: 58-60.

    Sitografia

    Science AAAS - "Volatile Signaling in Plant-Plant Interactions: "Talking Trees" in the Genomics Era" www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/311/5762/812?ck=nck

    Baldwin I.T. (2002), Unraveling the Function of Secondary Metabolites, Plant Physiology Online, Essay 13.1. www.plantphys.net

    Max Planck Institute for Chemical Ecology www.ice.mpg.de



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