Come la microscopia criogenica può contribuire a migliorare la sicurezza alimentare
Gli scienziati creano immagini senza precedenti
Secondo le Nazioni Unite, una percentuale compresa tra il 20 e il 40% delle terre coltivabili del mondo è interessata dalla salinizzazione del suolo; l'uomo e il cambiamento climatico - in particolare l'innalzamento del livello del mare - sono i principali responsabili di questo processo. Mentre il corpo umano ha bisogno di sodio per funzionare, questo non vale per la maggior parte delle piante. Infatti, l'eccesso di sale intorno alle radici delle piante blocca gradualmente il loro accesso all'acqua, bloccandone la crescita, avvelenandole e accelerandone la morte. Ogni anno, decine di milioni di ettari di terreno coltivabile vengono distrutti dalla salinizzazione del suolo, mettendo a rischio la sicurezza alimentare globale.
Gli scienziati dell'EPFL, dell'Università di Losanna (UNIL) e i loro partner spagnoli hanno osservato come il gene "Salt Overly Sensitive 1" (SOS1), identificato nel 2000, protegga le cellule vegetali dal sale. Il team di biologi e ingegneri ha prodotto immagini senza precedenti utilizzando la microsonda ionica CryoNanoSIMS (Cryo Nanoscale Secondary Ion Mass Spectrometry). Grazie a questo strumento unico al mondo per la microscopia a bassa temperatura, sono stati in grado di creare immagini precise della posizione in cui un particolare nutriente viene immagazzinato o utilizzato in un campione di cellule o tessuti. Le loro osservazioni mostrano che il trasportatore di ioni SOS1 non rimuove più il sodio in condizioni di forte stress salino, ma contribuisce a caricarlo nelle strutture chiamate vacuoli all'interno delle cellule. Secondo gli scienziati, una migliore comprensione di questo meccanismo e il chiarimento del motivo per cui alcune specie tollerano meglio il sodio rispetto ad altre potrebbero consentire di sviluppare nuove strategie per migliorare la sicurezza alimentare. I risultati sono stati appena pubblicati su Nature.
La prima prova visiva
"La nostra ricerca fornisce la prima prova visiva a livello cellulare di come le piante si proteggono dall'eccesso di sodio", afferma Priya Ramakrishna, ricercatore post-dottorato presso il Laboratorio di geochimica biologica (LGB) dell'EPFL e autore principale dello studio. "Le precedenti ipotesi su questo meccanismo si basavano su prove indirette. Ora possiamo vedere dove viene trasportato il sodio in presenza di diversi carichi di sale, cosa che prima non potevamo fare a questa risoluzione". Il team congiunto EPFL-UNIL ha utilizzato lo strumento CryoNanoSIMS di recente sviluppo, che consente l'imaging chimico dei tessuti biologici con una risoluzione di 100 nanometri, per effettuare osservazioni con un dettaglio senza precedenti, in questo caso su campioni di radici vegetali congelati in un bagno di azoto liquido e tenuti sotto vuoto a temperature molto basse per mantenere tutti gli elementi al loro posto nel tessuto.
Ciò ha permesso di mappare le singole cellule vegetali e di determinare dove sono immagazzinati elementi chiave come potassio, magnesio, calcio e sodio nelle punte delle radici - la parte della pianta nota come "meristema della punta della radice" - che contengono le cellule staminali responsabili dello sviluppo del sistema radicale della pianta. L'imaging CryoNanoSIMS ha mostrato lo stato della radice in due diverse condizioni di stress salino.
Un cambiamento di strategia
In condizioni di stress salino lieve, le cellule riescono a prevenire la penetrazione del sodio. In condizioni di forte stress salino, tuttavia, il team ha osservato un cambiamento di strategia: invece di trasportare il sodio all'esterno, come ipotizzato in precedenza, il trasportatore SOS1 contribuisce a depositarlo nei vacuoli, che vengono utilizzati per immagazzinare i prodotti indesiderati. "Tuttavia, questo meccanismo di difesa è molto dispendioso dal punto di vista energetico, rallenta la crescita della pianta, ne inibisce le prestazioni e infine la porta alla morte se lo stress salino persiste", spiega Ramakrishna. I ricercatori hanno confermato le loro osservazioni eseguendo gli stessi esperimenti su esemplari mutanti privi del gene trasportatore SOS1 e hanno scoperto che non sono in grado di trasportare il sodio nei vacuoli, il che spiega la loro maggiore sensibilità al sale. I test sono stati condotti anche su campioni di radici di riso - la pianta più coltivata al mondo - e hanno scoperto che anche in questo caso il sodio veniva trasportato nel vacuolo in caso di forte stress salino.
Armonizzare posizione e funzione
Per Ramakrishna, biologo vegetale di formazione, l'imaging chimico possibile con lo strumento CryoNanoSIMS rappresenta un approccio completamente nuovo. Lo strumento potrebbe essere utilizzato anche per studiare come le piante si proteggono da altre minacce, come l'inquinamento da metalli pesanti e i microbi. "Con questo tipo di collaborazione veramente interdisciplinare, cioè la fusione di biologia e ingegneria, possiamo far coincidere il luogo con la funzione e comprendere meccanismi e processi che non sono mai stati osservati prima", afferma l'autore corrispondente Anders Meibom, professore presso la Scuola di Architettura, Ingegneria Civile e Ambientale (ENAC) dell'EPFL e la Facoltà di Scienze della Terra e dell'Ambiente dell'UNIL, nel cui laboratorio è stato sviluppato lo strumento CryoNanoSIMS.
Anche Niko Geldner, coautore dello studio, capo del gruppo di ricerca presso la Facoltà di Biologia e Medicina dell'UNIL e leader del team UNIL, è entusiasta di questa collaborazione: "Le piante dipendono fondamentalmente dall'estrazione di nutrienti minerali dal suolo, ma non siamo mai stati in grado di osservarne il trasporto e l'accumulo con una risoluzione sufficiente. Con la tecnologia CryoNanoSIMS, questo è finalmente possibile e promette di cambiare la nostra comprensione della nutrizione delle piante al di là del problema del sale". La professoressa Christel Genoud, coautrice dello studio e direttrice del Dubochet Centre for Imaging, aggiunge: "Questa tecnica apre un orizzonte completamente nuovo nell'imaging dei tessuti biologici e pone i nostri istituti all'avanguardia in questo campo".
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Tedesco può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Priya Ramakrishna, Francisco M. Gámez-Arjona, Etienne Bellani, Cristina Martin-Olmos, Stéphane Escrig, Damien De Bellis, Anna De Luca, José M. Pardo, Francisco J. Quintero, Christel Genoud, Clara Sánchez-Rodriguez, Niko Geldner, Anders Meibom; "Elemental cryo-imaging reveals SOS1-dependent vacuolar sodium accumulation"; Nature, 2025-1-15
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