Questa innovazione biotecnologica potrà fermare l'avanzata distruttiva di un "killer dei cereali"?
«Abbiamo scoperto qualcosa che potrebbe portare a un potenziale intervento contro quella che è la peggiore malattia fungina dei cereali»
Una collaborazione di ricerca guidata dal Regno Unito ha compiuto un passo significativo nell'impegno globale volto a proteggere le colture cerealicole dal devastante fungo patogeno responsabile della ruggine.
I ricercatori del John Innes Centre hanno studiato una classe di recettori di difesa delle piante scoperta di recente, dimostrando a livello molecolare come funzionino per limitare gli attacchi del fungo della ruggine e come potrebbero essere modificati geneticamente per conferire un’immunità più ampia e duratura a grano, orzo e riso.
“Abbiamo scoperto qualcosa che potrebbe portare a un potenziale intervento contro quella che è la peggiore malattia fungina dei cereali”, ha affermato il professor Mark Banfield, responsabile di gruppo presso il John Innes Centre e autore dello studio, condotto in collaborazione con ricercatori dell’Università di Kobe, in Giappone.
Il fungo della ruggine, Magnaporthe oryzae, è la malattia più grave del riso coltivato e si è diffuso anche al grano e all’orzo in alcune zone dell’Asia e dell’Africa; ciò significa che soluzioni innovative per prevenirla sono essenziali per la sicurezza alimentare globale.
Per infettare le piante, agenti patogeni come il Magnaporthe oryzae inseriscono effettori nelle cellule delle foglie e degli steli per manipolare l’ospite e favorire lo sviluppo della malattia.
Le piante dispongono di recettori che riconoscono gli effettori come molecole estranee e innescano una risposta immunitaria che avvia la morte cellulare localizzata per limitare la diffusione intracellulare dell’agente patogeno all’interno della pianta.
Da oltre 30 anni, un corpus considerevole di ricerche si è concentrato su una classe di recettori immunitari denominati recettori leganti i nucleotidi e ricchi di leucina (NLR), che sono stati in prima linea nella nostra comprensione della risposta immunitaria delle piante alla ruggine e ad altre malattie.
Negli ultimi anni, gli studi si sono concentrati sempre più su una nuova classe di recettori immunitari intracellulari scoperti nei cereali, denominati proteine chinasi in tandem (TKP).
Ricerche precedenti hanno dimostrato che le TKP possono contenere un dominio integrato associato ai metalli pesanti (HMA), una caratteristica riscontrata anche in alcuni recettori NLR e che si è rivelata importante per il riconoscimento degli effettori e l’attivazione di una risposta immunitaria.
«Questo ha suscitato il nostro interesse», ha affermato il professor Banfield. «Se riusciamo a modificare ingegneristicamente questi domini HMA integrati per conferire loro nuove proprietà, apportando modifiche aminoacidiche alle proteine nei punti in cui gli effettori si legano, possiamo ottenere quelle che chiamiamo “nuove specificità di riconoscimento” – e potenzialmente una nuova linea di difesa per le piante contro le malattie».
In questo studio, pubblicato su *Science Advances*, il gruppo ha utilizzato analisi biofisiche e cristallografia per rivelare ad alta risoluzione l’interazione strutturale tra i domini HMA e gli effettori dell’agente patogeno della ruggine.
Hanno dimostrato come i domini HMA svolgano un ruolo fondamentale nei TKP, fungendo da esche biologiche per attirare gli effettori dei patogeni.
Sfruttando queste conoscenze strutturali, sono riusciti a ingegnerizzare geneticamente i recettori immunitari TKP in modo da conferire loro una doppia specificità: il legame con effettori associati all’infezione sia del grano che dell’orzo, cosa che in natura non accade spesso.
Dimostrando che i TKP si prestano ad approcci di bioingegneria, lo studio apre la strada a ulteriori ricerche su molti TKP scoperti di recente in diverse colture cerealicole, con il potenziale di progettare su misura nuovi recettori di resistenza alle malattie in grado di rispondere contemporaneamente a più effettori.
Questi esperimenti di validazione del principio hanno utilizzato protoplasti, ovvero singole cellule di grano, come surrogati del tessuto vegetale intero. La fase successiva per questo gruppo consiste nel trasferire questi risultati dai test su surrogati alle piante coltivate in serra.
«Il nostro studio indica che questa nuova classe di proteine di resistenza è suscettibile di ingegnerizzazione. Ora sappiamo che gli strumenti utilizzati in precedenza per ingegnerizzare i recettori NLR potrebbero funzionare anche con questa nuova classe», ha affermato il dott. Daniel Yu, primo autore dello studio.
La comprensione fondamentale del legame effettore-recettore può essere arricchita da altre tecnologie, quali la selezione genetica di precisione e gli approcci basati sull’intelligenza artificiale, che possono aiutare a progettare bioingegneristicamente una nuova specificità nei domini HMA.
«Riteniamo che queste due classi di recettori immunitari, gli NLR e i TKP, vengano probabilmente attivati in modi diversi», ha affermato il professor Banfield. «Ciò offre il potenziale per un’immunità più robusta in campo, poiché non si punta tutto su un’unica carta». In futuro potremmo essere in grado di utilizzare tecniche per combinare geni che codificano TKP e NLR contro la stessa malattia, creando una coltura super-resistente. Avranno modi diversi di attivare l’immunità, quindi sarà probabilmente più difficile per un agente patogeno evolversi per eluderli», ha aggiunto.
Ogni anno la ruggine distrugge una quantità di riso sufficiente a sfamare 60 milioni di persone. Per quanto riguarda il grano, il fungo della ruggine è stato scoperto per la prima volta in Brasile negli anni ’80 e da allora si è diffuso in Asia e in Africa. Non è presente nel Regno Unito, ma i cambiamenti climatici fanno sì che possa eventualmente rappresentare una minaccia per la produzione di cereali nell’Europa settentrionale.
La progettazione di recettori immunitari a chinasi in tandem nelle piante amplia i profili di riconoscimento degli effettori, pubblicato su *Science Advances*
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