Il riscaldamento globale sta mettendo a dura prova tutto il pianeta e in California, dopo periodi di grande siccità, la preoccupazione per il futuro dell’agricoltura ha mobilitato investimenti e risorse.
È nato così nel settembre del 2015 il progetto EPICON, Epigenetic Control of Drough Response in Sorghum, che è condotto dall’Università di Berkley con la collaborazione dell’’UC Agriculture and Natural Resources (UC ANR), del Joint Genome Institute (JGI) del Dipartimento dell’Energia e del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).
Il progetto è quinquennale, ha avuto un finanziamento di 12,3 milioni di dollari dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e si propone di esaminare il ruolo dell’epigenetica per consentire alle piante di sopravvivere in condizioni di siccità. È guidato dalla ricercatrice Peggy Lemaux dell’Università di Berkley, dipartimento Plant & Microbial Biology.
“Storicamente, la manipolazione genetica delle colture si è concentrata sull’alterazione della sequenza genetica della pianta, codificata nel suo DNA”, ha detto Lemaux. “Tuttavia, studi recenti hanno dimostrato che gli stress ambientali, come la siccità, possono portare a cambiamenti epigenetici nelle informazioni genetiche di una pianta…e questi cambiamenti si verificano senza alterare la sequenza di DNA sottostante e consentono alle piante di rispondere più rapidamente a un ambiente in evoluzione. “
Al centro di questa grande task force c’è proprio il sorgo una pianta esemplare per la sua resilienza. Originaria dell’Africa e dell’Australia, questa coltura di cereali sopravvive anche in condizioni climatiche estreme e rimane verde e produttiva quando tutte le altre piante diventano fragili e sterili.
Il progetto prevede il monitoraggio delle piante in diverse condizioni climatiche e la raccolta di campioni di foglie e radici che vengono analizzati per studiare le risposte alla siccità a livello molecolare, vengono prese in esame anche le modalità secondo cui l’espressione genica cambia e le dinamiche per cui alcune proteine e metaboliti vengono alterati. I ricercatori studiano anche i cambiamenti nelle comunità microbiche delle piante per comprendere se e come queste sono correlate in modo diretto alla tolleranza alla siccità del raccolto.
Ed è proprio di alcuni giorni fa la pubblicazione di uno studio che ha portato alla luce alcune evidenze: per sopravvivere alla siccità il sorgo esercita un controllo perfetto sul suo genoma, attivando alcuni geni e disattivandone altri al primo segno di scarsità d’acqua e innescando il processo inverso quando l’acqua si ripresenta.
Il grande volume di dati raccolti da 400 campioni di piante di sorgo, coltivate durante 17 settimane in campi aperti nella Central Valley della California, ha rivelato che la pianta modula l’espressione di un totale di 10.727 geni, o più del 40% del suo genoma, in risposta alla siccità. Molti di questi cambiamenti si verificano entro una settimana dalla mancata irrigazione della pianta o quando viene annaffiata per la prima volta dopo essere vissuta per settimane senza acqua.
Per condurre la ricerca, il team ha coltivato piante di sorgo in tre diverse condizioni di irrigazione – siccità pre-fioritura, siccità post-fioritura e applicazioni controllate di acqua – per tre anni consecutivi presso l’UC Kearney Agricultural Research and Extension Center (KARE) a Parlier, California.
Ogni settimana durante la stagione di crescita, i ricercatori hanno raccolto con cura campioni dalle foglie e dalle radici di piante selezionate e hanno congelato i campioni in un laboratorio mobile allestito sul campo fino a quando non sono stati analizzati. A quel punto gli scienziati del JGI hanno sequenziato l’RNA in ciascun campione per creare i dati del trascrittoma, che rivelano quali delle decine di migliaia di geni della pianta vengono trascritte e utilizzate per produrre proteine in determinati momenti.
Infine, è stata analizzata la mole di dati del trascrittoma per individuare le modalità secondo cui l’espressione genica era cambiata quando le piante sono cresciute e sono state sottoposte a siccità o sono tornate a ricevere acqua.
I dati raccolti hanno riguardato tutte le fasi dell’intero arco di sviluppo del sorgo e sono stati valutati non solo per studiare lo stress da siccità ma anche il processo di sviluppo delle piante.
I ricercatori hanno notato alcuni modelli interessanti nei dati del trascrittoma. In primo luogo, hanno preso atto di un fenomeno: in condizioni di siccità è stata disattivata una serie di geni che aiutano la pianta a favorire le relazioni simbiotiche con un tipo di fungo che vive intorno alle sue radici. Questo insieme di geni ha mostrato cambiamenti drastici.
In secondo luogo, è emerso che alcuni geni coinvolti nella fotosintesi sono stati disattivati in risposta alla siccità e riattivati alla ricomparsa dell’acqua. Le ragioni per cui questi cambiamenti aiutano la pianta a vivere in condizioni estreme non sono ancora note ma gli indizi sono sicuramente importanti.
I dati illustrati nello studio mostrano il trascrittoma della pianta sia in condizioni normali che in condizioni di siccità nel corso di una singola stagione di crescita. In futuro, i ricercatori prevedono di pubblicare ulteriori risultati del progetto, compresi i dati proteomici e metabolomici.
Questa nuova mole di informazioni aiuterà a comprendere in modo più preciso come il sorgo reagisce ai cambiamenti climatici e potrà dare indicazioni preziose per aiutare anche altre piante a vivere e crescere in zone difficili dove la presenza d’acqua è scarsa o irregolare.
Le coltivazioni di sorgo all’ UC Kearney Agricultural Research and Extension Center fotografate da Peggy Lemaux.