Chimeric plants–il meglio dei due mondi
Uova chimeriche & Le piante Chips (foto a sinistra) e TomTato (foto a destra) sono innesti che coinvolgono specie strettamente correlate. Altre chimere possono essere possibili se l’innesto può essere applicato più in generale.
FOTO: THOMPSON & MORGAN
Il taglio del germoglio di una pianta (il rampollo) e l’unione, o l’innesto, ad un’altra (il portainnesto) è stata una pratica dei coltivatori per millenni. Gli organismi chimerici risultanti hanno permesso la propagazione di frutta e verdura con caratteristiche desiderate, il controllo delle dimensioni degli alberi per facilitare i raccolti di frutta e la conservazione di rampolli di cultivar di vino d’élite su portainnesti resistenti alla fillossera, un insetto distruttivo. La maggior parte delle specie vegetali si innesta a se stesse, alcune a specie strettamente correlate, ma raramente le piante si innestano con successo a parenti più lontani (1). A pagina 698 di questo numero, Notaguchi et al. (2) identificare un’attività enzimatica chiave che promuove la creazione di innesti tra la pianta del tabacco Nicotiana benthamiana e una vasta gamma di specie. Dimostrano che due specie incompatibili possono essere innestate usando il tessuto di N. benthamiana come interscion. Ciò potrebbe espandere sostanzialmente le combinazioni di specie con cui è possibile generare chimere.
La compatibilità tra due specie dipende dalla creazione di un’unione di innesto riuscita ai confini di taglio e dalla sopravvivenza estesa della pianta composita innestata. A differenza di altre interazioni compatibili-incompatibili, come il riconoscimento del polline come sé o non-sé da parte degli organi floreali femminili, non vi è ancora alcuna prova per un meccanismo di riconoscimento specifico tra i componenti dell’innesto. È fondamentale, tuttavia, che le cellule sulle superfici tagliate inizino ad aderire l’una all’altra, che le cellule al confine si dividano e crescano e che la vascolarizzazione, necessaria per il trasporto di acqua, nutrienti e molecole di segnalazione a lunga distanza dalle radici alle parti aeree della pianta, sia riconnessa (1). Notaguchi et al. implicare una cellulasi specifica nel promuovere l’adesione cellulare-cellulare. Come cellulasi potrebbe facilitare questo processo fisiologico è una domanda rimanente.
Le cellulasi agiscono per digerire la cellulosa, la componente principale dell’armatura delle pareti cellulari vegetali (3), e questo potrebbe consentire il rimodellamento e la fusione delle microfibrille cellulosiche tra le pareti cellulari del sistema vascolare o altri tipi di cellule tra il rampollo e il portainnesto. Un’altra possibilità è che la degradazione della cellulosa inneschi meccanismi di sorveglianza per l’integrità della parete cellulare, promuovendo così la biosintesi della parete cellulare (3). Sebbene le pareti cellulari di diverse specie vegetali possano avere composizioni molto diverse (3), la cellulosa è sempre un componente, il che potrebbe spiegare perché un’attività enzimatica mirata alla cellulosa come suo substrato sembra facilitare la compatibilità tra specie tassonomicamente distanti.
La capacità di effettuare innesti tra piante della stessa specie ha aperto il campo della segnalazione a lunga distanza nella ricerca vegetale, perché proteine mobili, RNA messaggeri (MRNA) e piccoli RNA sono stati identificati come molecole di segnalazione (1). Originario dei portainnesti, l’ormone vegetale florigen è stato identificato come un fattore che promuove la fioritura e lo strigolattone come ormone vegetale che promuove la ramificazione. Il meccanismo con cui il silenziamento dell’RNA si diffonde sistemicamente è stato chiarito con innesti (1). Gli innesti consentono anche lo studio delle interazioni per tutta la vita tra genomi di diverse specie vegetali, come l’architettura dei sistemi di radici può influenzare il vigore e la salute delle piante e la progettazione di nuove specie di colture. Esempi di successo commerciale da innesti includono il TomTato, una pianta che produce sia patate dalla radice e pomodori fuori terra ,e uovo & Chips, un rampollo di melanzane su un portainnesto di patate (4) (vedi le foto). Pomodori, melanzane e patate, insieme al tabacco, appartengono alla stessa famiglia, le Solanacee, e quindi sono naturalmente suscettibili di innesto.
Notaguchi et al. dimostrare che i rampolli o i portainnesti di N. benthamiana possono innestarsi in soia e crisantemi filogeneticamente distanti, così come i rappresentanti di 38 famiglie di piante da fiore (angiosperme). Espandendo le combinazioni di specie che possono essere utilizzate come rampolli e portainnesti, la tecnologia dell’innesto potrebbe produrre chimere tra parenti lontani che contribuiscono a un’impronta agricola più sostenibile e aiutano a preservare la biodiversità.
Molteplici fattori di stress biotici e abiotici sono in aumento con il cambiamento climatico, che aggrava il divario di rendimento, la differenza tra rendimento teorico e reale, per molte colture agronomiche e vegetali. Portinnesti resistenti alla siccità o agli agenti patogeni o tolleranti al sale, naturalmente o geneticamente modificati, potrebbero espandere la gamma crescente di cultivar desiderate. La capacità di innestare su una vasta gamma di eudicots (una delle due classi di piante da fiore) fornisce uno strumento per compilare i tratti di tolleranza tra le specie: tali tratti sono multigenici e quindi non facilmente affrontati ingegnerizzando uno o pochi transgeni. Le differenze genetiche nella resilienza delle specie arboree allo stress idrico o termico renderanno alcune specie particolarmente vulnerabili nella scala temporale prevista dei cambiamenti climatici (5). Portainnesti robusti potrebbero essere utilizzati per preservare le specie a rischio in un lasso di tempo più breve di quanto potrebbero ottenere i programmi di allevamento.
La familiarità e la facilità, insieme all’automazione del processo per specie compatibili, hanno reso l’accettazione da parte dei coltivatori della tecnologia di innesto una strategia attraente per aumentare le rese e la qualità del prodotto e per coltivare frutta e verdura in nuovi ambienti. L’innesto è anche una tecnica di propagazione vegetativa asessuata che potrebbe eludere le attuali restrizioni per gli organismi geneticamente modificati (OGM) (6). Ad esempio, l’innesto su portainnesti geneticamente modificati per superare la suscettibilità alle malattie trasmesse dal suolo di una cultivar di rampollo potrebbe superare gli ostacoli normativi perché i frutti resistenti alle malattie non sono stati geneticamente modificati (7). Il portainnesto potrebbe essere modificato per produrre piccoli RNA che si diffondono sistematicamente per silenziare l’espressione genica nel rampollo, modificando così indirettamente le caratteristiche delle parti aeree della pianta (6). Allo stesso modo, i rampolli geneticamente modificati potrebbero migliorare la produttività delle cultivar convenzionali di radici o tuberi come patate e manioca. Tali piante transgrafted hanno il potenziale per affrontare le preoccupazioni circa il flusso di transgene o la fuga di prodotti transgenici (8).
Un problema tecnico che rimane fondamentale è il fallimento dell’innesto per le specie monocotiledoni (l’altra classe di piante da fiore oltre agli eudicotteri). Grano, riso e mais forniscono due terzi delle calorie umane globali (9). La vascolarizzazione di queste e di altre monocotiledoni differisce da quelle di tutte le altre piante da fiore, e gli innesti tra monocotiledoni ed eudicots possono fallire a causa di incompatibilità anatomiche nella riconnessione del floema e dello xilema. La pianta parassita Striga è un eudicot che invade con successo e si collega alla vascolarizzazione del riso. Pertanto, chiarire i meccanismi naturali del parassitismo può fornire informazioni utili (1). Tuttavia, i rampolli monocot non riescono ad innestarsi con successo nei portainnesti monocot. Comprendere e superare questa limitazione è importante per proteggere la futura sicurezza alimentare globale.
Le piante cavalcano due mondi, con le loro radici in un mondo di terra e acqua e le loro parti aeree in un mondo di aria e luce. Nell’attuale Antropocene, una tecnica antica, informata da una nuova comprensione meccanicistica, può aiutare le piante e gli esseri umani a sfruttare al meglio entrambi i mondi.
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