Le piante sono sessili; pertanto, per sopravvivere in un ambiente precario, devono far fronte a vari tipi di stress, biotici e abiotici. Sebbene molto sia stato appreso sui geni e sulle vie di segnalazione coinvolte nelle risposte allo stress,1 come le piante rispondono allo stress in modo evolutivo è poco conosciuto. I nostri recenti studi suggeriscono che la proliferazione della corteccia radicale è un meccanismo protettivo contro lo stress abiotico.2
Le prove iniziali che suggeriscono questo ruolo per la corteccia radicale derivano dai nostri studi sul mutante spia. Nella radice delle piantine selvatiche di una settimana di Arabidopsis thaliana, c’è un singolo strato di corteccia; al contrario, nel mutante spia, un ulteriore strato di corteccia viene prodotto dall’endoderma entro 3 giorni dalla germinazione.3 Per determinare in che modo SPY influisce sullo sviluppo delle radici, abbiamo condotto la profilazione della trascrizione con radici di piante mutanti spy-3 e di tipo selvaggio.2 Questa analisi del trascrittoma ha mostrato che i geni coinvolti nell’omeostasi redox sono arricchiti tra i geni la cui espressione è alterata nel mutante spia. Coerentemente con questo, abbiamo scoperto che il mutante spia ha un livello elevato di specie reattive dell’ossigeno (ROS). Sulla base di queste osservazioni, abbiamo ipotizzato che la proliferazione della corteccia potrebbe essere causata da cambiamenti nello stato redox cellulare. Abbiamo confermato questo in ulteriori esperimenti che dimostrano che la proliferazione della corteccia è stata indotta nella radice delle piantine wild-type dal perossido di idrogeno e che il fenotipo extra della corteccia nella radice mutante spia è stato soppresso dal glutatione, un potente agente riducente.
Inaspettatamente, abbiamo anche scoperto che la chinasi del recettore ERECTA è necessaria per la proliferazione della corteccia indotta da ROS.2 Nessuna proliferazione della corteccia potrebbe essere indotta in piante con una mutazione nel gene ERECTA (l’ecotipo Ler o il mutante er105), indipendentemente dalla concentrazione di perossido di idrogeno per il trattamento. È interessante notare che ulteriori studi hanno dimostrato che lo STOMAGEN, ma non altri ligandi di ERECTA, è essenziale per questa risposta allo sviluppo mediata dal redox. Pertanto, la proliferazione della corteccia in risposta allo stress ossidativo è una risposta regolata, non solo passiva.
La nostra scoperta che la proliferazione della corteccia mediata dal redox è un processo regolamentato solleva una domanda sul ruolo della proliferazione della corteccia nella crescita e nella fisiologia delle piante. In teoria, lo strato di cellule extra della corteccia potrebbe fungere da serbatoio d’acqua e quindi aiutare la pianta a sopravvivere nella siccità. A sostegno di questa nozione, strati extra della corteccia sono stati trovati nelle radici delle piante di Arabidopsis che hanno sperimentato la carenza di acqua (risultati inediti).
Le principali fonti di ROS nelle piante sono i mitocondri e i cloroplasti. Normalmente i ROS sono generati a bassi tassi come sottoprodotti delle reazioni respiratorie e fotosintetiche in questi organelli, ma si accumulano sotto stress e possono raggiungere livelli letali per le piante. La proliferazione della corteccia in risposta allo stress ossidativo è quindi probabile che sia un meccanismo generale che protegge le piante dallo stress abiotico. Infatti, a sostegno di questa ipotesi, un recente studio ha dimostrato che i mutanti spia sono più tolleranti di sale alto nel terreno.4
Tuttavia, questo sembra essere in contrasto con la nostra recente osservazione che il mutante spia sviluppa una radice più corta nel mezzo di crescita normale rispetto al tipo selvaggio e la sua crescita della radice è ridotta in misura maggiore nel mezzo contenente sale.2 Una spiegazione plausibile per questo paradosso è che lo strato di cellule extra della corteccia nella radice mutante spia, insieme alla sua lunghezza più breve, provoca una riduzione dell’assorbimento di sale dal terreno, mantenendo così un livello normale di sale nelle riprese. Per testare questa ipotesi, abbiamo spruzzato la soluzione salina direttamente sulle foglie dei germogli spy-3 mutant e wild type. Le foglie del mutante spia si sono appassite quando sono state esposte a NaCl di 50 mm, ma il tipo selvaggio non ha mostrato alcun segno di stress sotto lo stesso trattamento (Fig. 1 BIS). Abbiamo anche eseguito un esperimento simile con metil viologen, un erbicida che induce il ROS, e abbiamo scoperto che il mutante spy-3 era anche più sensibile (Fig. 1). Risultati simili sono stati ottenuti con i mutanti spy-8 e spy-12, che si trovano sullo sfondo di Ler (Fig. 1 TER). Questi risultati supportano la nozione che la proliferazione della corteccia nella radice svolge un ruolo nel contrastare gli stress abiotici derivati solo dal suolo. La tolleranza dei mutanti spia al sale nel terreno non può essere attribuita esclusivamente allo strato extra della corteccia, però. Poiché i mutanti con radici corte, come il mutante scr, sono più sensibili agli alti zuccheri e al sale (Cui et al 2012; e risultati inediti), pensiamo che la corteccia contribuisca in modo significativo a contrastare lo stress abiotico basato sul suolo.
Il mutante spia è ipersensibile al sale e al metil viologen. (A) Col e spy-3, (B) Ler (fila superiore), spy-8 (fila centrale), e spy-12 (fila inferiore) piante, 9 h dopo la spruzzatura con acqua (controllo), 20 µM metil viologen (MV), o 10 mM o 50 mm NaCl. Si noti che le foglie rimpicciolite sono dovute all’appassimento.
È interessante notare che, nella radice wild-type, la proliferazione della corteccia è indotta solo all’interno di un intervallo ristretto di concentrazioni di perossido di idrogeno (0,5 – 2 mm).2 Sopra 2 mm, il perossido di idrogeno provoca danni cellulari, il che spiega la mancanza di proliferazione della corteccia. Questa scoperta significa anche che la proliferazione della corteccia funge da meccanismo protettivo contro gli stress lievi ma non acuti. Tuttavia, riteniamo che la proliferazione della corteccia sia il meccanismo predominante per le colture vegetali per affrontare lo stress abiotico, poiché lo stress cronico lieve si verifica molto più frequentemente dello stress acuto in agricoltura. Formando uno strato di cellule extra, le piante acquisirebbero una protezione permanente. Poiché non è necessario mantenere l’espressione costosa di proteine e antiossidanti, le piante possono investire più risorse nella crescita e nello sviluppo. Poiché la proliferazione della corteccia richiede anche risorse, nessuna corteccia extra verrebbe prodotta quando il livello di stress è basso. Quando lo stress è intenso, le piante devono montare una serie di risposte per affrontarlo, ma in questa situazione la priorità delle piante è sopravvivere.
Un’altra osservazione intrigante dai nostri studi è che solo uno strato extra di corteccia viene prodotto nelle piante spia mutanti o selvatiche trattate con perossido di idrogeno. Due possibili meccanismi possono essere concepiti. In primo luogo, questo potrebbe risultare se la radice ha l’energia per produrre solo un singolo strato di cellule extra, anche se le cellule possono ulteriormente dividersi. In alternativa, e più probabilmente, se le cellule endodermiche che danno origine allo strato extra della corteccia si fermano in un certo stadio del ciclo cellulare, il segnale ROS potrebbe riaccendere il ciclo cellulare ma non essere in grado di reiniziarne un altro ciclo cellulare. Sono necessari ulteriori studi per distinguere tra queste possibilità.
Come organo, la radice svolge un ruolo fondamentale nell’assorbimento di nutrienti e acqua e nell’ancoraggio, ma i singoli tipi di cellule funzionano distintamente. Ad esempio,l’endoderma funge da gateway per l’assorbimento selettivo dei nutrienti, 5 mentre le cellule di columella sono responsabili della risposta gravitropica.6 Oltre al trasporto a lunga distanza di acqua e sostanze nutritive, il tessuto vascolare ha anche un ruolo nello stoccaggio dei nutrienti e nell’omeostasi, in particolare per ferro e zolfo.6 Tra tutti i tipi di cellule radice, la corteccia è considerata la meno differenziata. Non è ancora chiaro se la corteccia abbia un ruolo nella crescita e nella fisiologia delle piante. Questo studio fornisce la prova che una funzione della corteccia è la protezione contro lo stress abiotico.