Cuticola in mais (Zea mays), studio dell'interazione tra geni che ne regolano la deposizione

Virginia Fassa è tra i vincitori dell'AgroInnovation Award 2018 con la tesi "La cuticola in mais (Zea mays): studio dell'interazione tra geni che ne regolano la deposizione"

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La vincitrice della categoria 'innovazione varietale e genomica', tesi triennali

La cuticola è uno strato idrofobico costituito principalmente da cutina, cere e suberina che ricopre, esternamente e in modo continuo, le cellule dell'epidermide fogliare e dei giovani fusti.
Svolge funzioni fisiologicamente importanti per la pianta, quali la limitazione della perdita d'acqua, la diffrazione della luce e l'impedimento del ristagno dell'acqua sulla pianta proveniente dalle precipitazioni ambientali. Costituisce, inoltre, una barriera nei confronti dell'attacco e della penetrazione di organismi patogeni.

Lo studio della cuticola risulta di particolare interesse. Si pensi, per esempio, alla possibilità di migliorarne la composizione, aumentando la deposizione dei polimeri che la costituiscono. Ne deriverebbe una maggiore protezione della pianta contro l'eccessiva perdita di acqua e una limitazione di eventuali danni fisici.

Durante lo sviluppo della pianta di mais (Zea mays) si distinguono diverse fasi: una giovanile che comprende le prime quattro-cinque foglie, una fase di transizione e una fase adulta, dall'ottava foglia in poi. Nella fase giovanile le foglie sono dotate di una lamina opaca, ricca di composti cerosi, altamente idrofobica, mentre nella fase adulta presentano una lamina lucida e idrofila. Queste due fasi sono facilmente distinguibili perché le foglie giovanili, se spruzzate con acqua, trattengono le goccioline sulla propria superficie, mentre nelle foglie adulte le gocce scivolano immediatamente a terra.

Lo scopo del lavoro è stato quello di individuare e descrivere le interazioni tra i geni chiave che regolano la deposizione della cuticola in giovani plantule di Zea mays

È stato utilizzato un approccio di genetica diretta cha ha previsto l'ottenimento di popolazioni segreganti per mutanti in ognuno di questi geni. Sono stati inoltre generati dei doppi mutanti, ovvero individui con mutazioni a carico di due geni contemporaneamente.
 
Foglia giovane e adulta
Figura 1. Sono stati selezionati individui mutanti contraddistinti da una alterazione nella deposizione della cuticola nelle prime fasi di crescita della plantula. In figura viene mostrato un mutante della cuticola (B) confrontato con il wild type (genotipo selvatico) (A). Nel mutante, l'alterata deposizione della cuticola è dovuta a una drastica riduzione delle cere che, durante la fase giovanile, ricoprono la lamina fogliare; inoltre, le foglie del mutante sono lucide e, se spruzzate con acqua, trattengono le goccioline sulla propria superficie

Per la loro caratterizzazione sono state impiegate diverse metodologie. Al fine di evidenziare alterazioni nello sviluppo, per ciascun genotipo sono stati misurati i seguenti parametri: altezza, peso della foglia intera e area fogliare. Inoltre, seguendo un approccio di tipo morfo-fisiologico, sono stati condotti saggi di chlorophyill leaching grazie ai quali è stato possibile analizzare e studiare la permeabilità epidermica della foglia. Tale parametro è infatti funzione dell'alterazione della cuticola: una cuticola alterata si mostra molto permeabile, con un elevato rilascio di clorofilla in un lasso di tempo ristretto. 
 
Campioni analizzati
Figura 2. Immagine rappresentativa dei campioni analizzati con chlorophyill leaching al termine dell'esperimento. Da ogni plantula, la foglia di interesse (seconda, terza o quarta foglia) è stata recisa ed immersa in una soluzione di etanolo e acqua deionizzata per estrarre la clorofilla. Ogni giorno, per circa due settimane, sono state rilevate le assorbenze della clorofilla con uno spettrofotometro. 

Nelle ultime fasi del lavoro, si è indagato sul ruolo che ha cuticola nel favorire il raffreddamento della lamina fogliare. L'obiettivo è stato capire se le alterazioni della cuticola avessero delle conseguenze anche a livello di traspirazione cuticolare, procedendo all'analisi delle differenze di temperatura con l'ausilio di una termocamera.
 
Foglia di mais vista con termocamera
Figura 3. Immagine rappresentativa di una foglia di mais catturata con la termocamera. Come mostrato dalla scala graduata in °C a destra, il blu corrisponde alle aree più fredde, mentre il rosso indica le aree più calde. Per determinare le differenze di temperatura fogliare, le fotografie sono state elaborate con l'ausilio del programma Research IR4. 

Al termine di questo studio, si è potuto concludere che le mutazioni nei geni della cuticola hanno un effetto significativo sullo sviluppo della pianta rispetto al controllo. In generale le plantule mutanti registrano valori dei parametri considerati significativamente più bassi.

I saggi di chlorophyill leaching hanno dimostrato che gli individui mutanti per i singoli geni che regolano la deposizione della cuticola sono significativamente più permeabili rispetto al controllo. Riguardo lo studio dei doppi mutanti, tale metodologia ha consentito di ottenere dati preliminari sulle interazioni tra i geni: nel primo doppio mutante si ipotizza che un gene agisca come soppressore del secondo; nel secondo doppio mutante, invece,  non si osserva nessun effetto additivo o di soppressione tra i geni e pertanto si può ipotizzare che uno dei due regoli, direttamente o indirettamente, il secondo. 

Infine, è emerso che le lamine fogliari degli individui mutanti sono più fredde rispetto alle foglie del controllo.
Si prospettano studi più approfonditi sull'interazione tra i geni della cuticola che arricchiranno, con le analisi molecolari, i dati acquisiti in questo lavoro. Il fine sarà quello di ottenere un modello che illustri i meccanismi di regolazione fino ad ora solo ipotizzati.

Scarica il sommario della tesi
Per eventuali contatti: virginia.fassa.vf@gmail.com

AgroInnovation Award è il premio di laurea istituito da Image Line in collaborazione con l'Accademia dei Georgofili al fine di promuovere la diffusione di approcci innovativi, strumenti digitali e l'utilizzo di internet in agricoltura.

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