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Raffaele Dello Ioio

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Un team di ricercatori della Sapienza ha identificato uno degli orologi molecolari che regolano la maturazione degli organi nelle piante. Lo studio, pubblicato sulla rivista Current Biology, getta nuova luce sui meccanismi utili a migliorare l’adattamento delle piante alle variazioni ambientali

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Foto Sapienza Università di Roma

La maturazione degli organi presuppone, sia negli animali che nelle piante, cambiamenti nelle loro forme e nella loro anatomia. Tali cambiamenti avvengono nel corso del tempo, motivo per cui esistono dei veri e propri orologi molecolari che mediano e scandiscono l’interazione di specifici geni, in determinati momenti, affinché sia assunta la corretta morfologia.

Un nuovo studio del Dipartimento di Biologia e biotecnologie Charles Darwin della Sapienza, ha identificato nella pianta modello Arabidopsis thaliana l’orologio molecolare coinvolto nella regolazione della formazione della radice. Nello specifico, il team di ricercatori coordinato da Raffaele Dello Ioio ha indagato nella pianta il funzionamento di uno dei meccanismi che regola la divisione asimmetrica del tessuto, a cui consegue l’incremento del numero di strati da uno a due.

“Questo lavoro, appena pubblicato sulla rivista Current Biology, ha permesso di identificare uno di questi orologi, necessario alle piante per adattarsi all’ambiente esterno e alle sue variazioni – spiega Raffaele Dello Ioio. “Otto giorni dopo la germinazione, il momento in cui l’embrione che è nel seme inizia a uscire dalla fase di quiescenza, si verifica una riduzione dell’espressione di alcune piccole molecole di Rna, i microRNA 165 e 166. La divisione asimmetrica della cortex, una componente della struttura della radice, risulta dipendere proprio dalla minore espressione dei microRNA, che esercitano un controllo positivo sui livelli del fitormone gibberellina e uno negativo su quelli del fattore di trascrizione PHABULOSA”.

Conclude poi Raffaele dello Ioio, insignito nel 2019 dall’Accademia dei Lincei del premio “Antonio Feltrinelli giovani” per i suoi studi sui circuiti genetico-molecolari che regolano il corretto sviluppo degli organi delle piante, che “identificare questi meccanismi non solo permette di comprendere come avviene la maturazione degli organi, ma potrà essere di aiuto agli scienziati per capire come manipolare tali meccanismi per migliorare l’adattamento delle piante alle variazioni ambientali”.

Riferimenti:

A PHABULOSA-Controlled Genetic Pathway Regulates Ground Tissue Patterning in the Arabidopsis Root – Gaia Bertolotti, Simon Josef Unterholzner, Daria Scintu, Elena Salvi, Noemi Svolacchia, Riccardo Di Mambro, Veronica Ruta, Francisco Linhares Scaglia, Paola Vittorioso, Sabrina Sabatini, Paolo Costantino, Raffaele Dello Ioio – Current Biology, 2020.https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.10.038

 

Testo e foto dalla Sapienza Università di Roma

Prevedere il comportamento delle piante con un modello matematico 

È uno dei pochi modelli computazionali che, riproducendo l’attività di diversi network genetici, è in grado di fare predizioni poi verificate in vivo. Lo studio, coordinato dal Dipartimento di Biologia e biotecnologie Charles Darwin della Sapienza in collaborazione con l’Università di Utrecht, è stato pubblicato sulla rivista Developmental Cell

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Radice di Arabidodopsis thaliana esprimente il gene PLETHORA (in giallo) messa a confronto con il layout del modello matematico in cui una simulazione ha distribuito il gene PLETHORA (in bianco)

La crescita di un organo è un processo articolato in cui l’attività delle cellule e dei tessuti che lo compongono deve essere finemente regolata per garantire una forma e una dimensione finale compatibili con la sua funzione. Ciò vale anche per i vegetali, dei quali sono ancora poco noti i meccanismi alla base della formazione di organi, quali radici, fusti e foglie.

Con le moderne tecnologie di analisi molecolare ad ampio spettro è stato possibile raccogliere negli ultimi anni un’enorme quantità di dati di rilevanza biologica, ma la possibilità di integrarli in un modello capace di predire il comportamento in funzione di alcuni parametri resta ancora molto limitata.

In un nuovo studio coordinato da Sabrina Sabatini del Dipartimento di Biologia e biotecnologie Charles Darwin della Sapienza, in collaborazione con il Dipartimento di Biologia computazionale dell’Università di Utrecht, è stato realizzato un modello computazionale in grado di riprodurre esattamente le fasi di crescita della radice di Arabidopsis thaliana. Integrando evidenze sperimentali con la biologia computazionale, il programma predice il comportamento della pianta in vivo e in diverse condizioni ambientali. Il lavoro è stato pubblicato sulla rivista Developmental Cell.

Per acquisire tali risultati, i ricercatori hanno identificato alcuni dei circuiti molecolari centrali nella crescita della radice, utilizzandoli poi come parametri per lo sviluppo del modello.

“Questo lavoro – spiega Sabrina Sabatini – è un esempio di come si può modellizzare un sistema regolativo complesso predicendone gli esiti a partire dai parametri chiave. L’utilizzo di un modello computazionale ci ha permesso di stabilire ad esempio come la proteina PLETHORA (PLT), che si trova in grandi quantità nella nicchia staminale della radice, venga gradualmente diluita in seguito dell’attivazione della divisione cellulare e distribuita nelle cellule indifferenziate di nuova generazione, dove raggiunge livelli minimi di concentrazione”.

Da qui, i ricercatori hanno identificato i network attivi nel differenziamento cellulare e i loro meccanismi di funzionamento: come l’azione inibitoria reciproca di alcune molecole controlli il numero di cellule indifferenziate della radice e come tale processo venga interrotto, a 5 giorni dalla germinazione, da un ormone che favorisce il differenziamento e garantisca una crescita coerente dell’organo.

“Il nostro – conclude Sabatini –  è uno dei pochi modelli dinamici che incorpora l’attività di diversi network genetici in grado di riprodurre in silico la crescita della radice, e potrà essere utilizzato per fare predizioni testabili sperimentalmente in vivo”. 

 

Riferimenti per lo studio sul modello matematico per prevedere il comportamento delle piante:

A self-organized plt/auxin/arr-b network controls the dynamics of root zonation development in arabidopsis thaliana – Elena Salvi, Jaap Rutten, Riccardo Di Mambro, Laura Polverari, Valerio Licursi, Rodolfo Negri, Raffaele Dello Ioio, Sabrina Sabatini & Kirsten Ten Tusscher – Developmental Cell https://doi.org/10.1016/j.devcel.2020.04.004

 

Testo e immagine dell’arabidopsis thaliana dall’Università Sapienza di Roma.

Foto di Naldo Universe