La memoria e l’intelligenza delle piante sono dovute a reti molecolari che consentono loro di ricordare, scegliere e assumere decisioni in base agli stimoli di stress ambientali.
Così le piante, sia pur prive di sistema nervoso, possono ottimizzare le risorse a disposizione.
Un recente studio (Gallusci et al., 2022) su Trends in Plants Science mostra altresì la capacità delle piante di trasmettere la loro esperienza alle generazioni successive, attraverso l’epigenetica. (1) Ecco come la natura evolve e si adatta, senza bisogno di ingegneria genetica.
Memoria, intelligenza e apprendimento delle piante
Affermare che le piante abbiano una memoria significa riconoscere in loro una forma di intelligenza. Senza memoria non è infatti possibile apprendere, e l’apprendimento è un requisito dell’intelligenza stessa.
D’altra parte, solo un essere dotato d’ingegno può essere in grado di migliorare l’efficienza della sua reazione, dopo essere stato sottoposto ripetutamente a una stessa condizione ambientale. (2)
Memoria delle piante. Da J.B. Lamarck a Stefano Mancuso
Le prime sperimentazioni che confermarono la memoria delle piante vennero condotte, agli albori del XIX secolo, dai celebri biologi Jean-Baptiste Lamarck e René Louiche Desfontaines. Ai quali Stefano Mancuso – autore del libro Plant Revolution (in copertina. V. nota 3) – ha dedicato l’esperimento «Lamarck e Desfontaines»:
– piante in vaso sono state sottoposte a ripetute cadute. Il salto verticale non traumatico rappresentava lo stimolo,
– dopo una serie di ripetizioni, si è osservato che le piante iniziavano a non chiudere più le foglie alle cadute successive,
– per capire se tale meccanismo derivasse da una forma di apprendimento le piante vennero sottoposte a uno stimolo diverso,
– lo scuotimento orizzontale dei vasi generava un impulso diverso, a cui le piante rispondevano chiudendo subito le foglie,
– si è così dimostrato che le piante potevano apprendere la non pericolosità di un evento, grazie alla memoria di un’esperienza passata. (4)
Relazioni tra le piante, l’ambiente circostante e la memoria
Le piante, in quanto specie sessili, devono costantemente adattarsi alle sollecitazioni ambientali esterne. Regolando le loro risposte fisiologiche, metaboliche e di sviluppo.
L’adattamento comporta una relazione diretta tra la capacità di percepire l’ambiente, il rimodellamento epigenetico e lo sviluppo di una memoria (o priming) nelle piante.
Il priming o memoria delle piante
Il priming è un processo attraverso il quale uno stimolo ambientale transitorio provoca risposte adattive (in genere rapide e/o più forti) quando venga esposto a ripetuti stress. Esso permette alla pianta di prepararsi per una migliore risposta allo stress. Il priming coinvolge l’assimilazione di diverse proteine chiave o metaboliti di segnalazione, nonché l’alterazione sostenuta di vari fattori di trascrizione. Il metabolismo delle piante viene così alterato e mantenuto in risposta a vari stress.
I sistemi sensoriali che determinano il contatto primario con l’ambiente sono diversi e utilizzano vari tipi di macromolecole. Dalle proteine recettoriali (foto e termosensori) agli acidi nucleici (RNA) e gli organuli subcellulari (cloroplasti e mito), i quali percepiscono e trasmettono segnali ambientali (qualità, quantità e direzione di luce e temperatura) e biochimici. La pianta memorizza un segnale e lo usa per trarne vantaggio.
Cambiamenti climatici e memoria delle piante
L’impoverimento delle colture a causa di stress abiotici (calore, siccità, salinità e freddo) è il più grande ostacolo alla loro produttività e alla food security, nello scenario globale di cambiamento climatico e desertificazione. (6) Negli ultimi anni si cerca di comprendere l’influenza degli stress abiotici sullo sviluppo, la qualità e la produttività delle piante e su come queste reagiscono/si adattano a tali stress.
L’aumento della temperatura media globale ha aumentato gli effetti nocivi sulle piante dovuti ai vari stress abiotici. I quali influiscono negativamente sulla crescita e lo sviluppo delle piante, costringendole ad adattare rapidamente la loro organizzazione strutturale, il processo fotosintetico, il metabolismo e le funzioni (segnalazione lipidica/ormonale, etc.) per resistere.
1) Memoria dello stress da siccità
La siccità è una delle cause di stress più dannose per le piante. (7) Essa provoca infatti una riduzione della crescita e della fissazione del carbonio, con influenza negativa sulla produttività e la sopravvivenza delle piante. Le quali, per rispondere allo stress da siccità, hanno evoluto diversi meccanismi come la regolazione dell’espressione genica di vari processi (fisiologici e di sviluppo).
Le condizioni di scarsità d’acqua possono venire memorizzate dalle piante, che vi rispondono in modo diverso dopo la prima esperienza per sopravvivere al ripetersi dello stress. La tolleranza alla siccità nelle piante è stata associata all’accumulo di proteine osmoprotettive (es. deidrine), zuccheri solubili e fitormoni. Oltre alla diminuzione del sistema fotosintetico.
2) Memoria dello stress termico
Lo heat stress (HS, stress termico) è dovuto all’aumento delle temperature di suolo e aria oltre i livelli limite che consentono a ogni pianta il funzionamento fisiologico e biochimico, attraverso la regolazione dei processi molecolari. Le piante affrontano naturalmente lo stress termico con una tolleranza termica basale.
La tolleranza termica acquisita consente alle piante di resistere a temperature più elevate dopo una breve pre-esposizione (termopriming). Il termopriming media anche la maggiore espressione dei fattori di trascrizione HS che modulano l’espressione delle proteine dello shock termico (HSPs) e di molti geni antiossidanti, per favorire il recupero.
3) Memoria dello stress da salinità
La salinità è uno dei rischi più gravi per la produttività agricola, poiché incide negativamente sullo sviluppo delle piante riducendo l’attività fotosintetica, l’efficienza di assorbimento dell’acqua e la chiusura stomatica.
Lo stress ionico causato dall’assorbimento di sale oltre il livello ottimale influisce sull’attività metabolica, sull’omeostasi degli ioni essenziali e sull’integrità delle membrane plasmatiche.
L’esposizione allo stress da salinità ha consentito alle piante di sviluppare anche una resistenza alla siccità, con una memoria protratta per 10 giorni dopo il momento iniziale.
4) Memoria dello stress da freddo
Il freddo influisce altresì sul ciclo vitale delle piante alterando la germinazione dei semi, la crescita delle piante e il periodo di fioritura, con conseguenti perdite di raccolto. L’esposizione al freddo (o vernalizzazione) è un collegamento diretto tra l’ambiente e la creazione di una memoria epigenetica somatica per regolare l’inizio della fioritura.
Studi sull’Arabidopsis (arabetta comune, famiglia delle Brassicacee) dimostrano un meccanismo di rilevamento della temperatura distinto. La vernalizzazione opera attraverso un interruttore epigenetico digitale, che porta al silenziamento del gene Flowering Locus C. (FLC):
– al momento della nascita il gene FLC è attivo e la pianta non produce fiori,
– durante il freddo invernale il gene FLC viene ‘spento’, in modo da riservare la fioritura alle condizioni climatiche favorevoli.
Epigenetica ed ereditarietà
Le modifiche che intervengono nelle piante in risposta agli stress hanno natura epigenetica. Si tratta cioè di modelli di espressione genica, che si verificano senza alterare la sequenza del DNA bensì a livello di cromatina.
Queste modifiche – essenziali nella costruzione della memoria (priming) delle piante – trascrivono perciò la loro risposta all’ambiente in un alfabeto epigenetico.
L’informazione epigenetica può venire trasmessa durante la vita di una pianta, come eredità somatica, ovvero attraverso la propagazione vegetativa (riproduzione clonale) durante la mitosi, tramite le cellule staminali situate nei meristemi.coltivaz
Conclusioni provvisorie
Il valore degli studi sulla memoria delle piante va oltre l’interesse botanico. La memoria da stress abiotici può avere un impatto positivo sul benessere delle piante in termini di resistenza negli ecosistemi naturali e sullo sviluppo di nuove tecnologie.
Sono necessarie ulteriori ricerche per giungere a una comprensione completa e meccanicistica dei percorsi molecolari fondamentali e dell’ecologia evolutiva di questi processi. Senza trascurare alcuni parallelismi con le neuroscienze. (8)
Giulia Pietrollini
Note
(1) Gallusci P., Agius D. R., Moschou P. N., Dobránszki J., Kaiserli E., Martinelli F. (2022). Deep inside the epigenetic memories of stressed plants. Trends in Plant Science. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2022.09.004
(2) De Lamarck, J.B. (1815). Flore française ou descriptions succinctes de toutes les plantes qui croissent naturellement en France disposées selon une nouvelle méthode d’analyse; et précédées par un exposé des principes élémentaires de la botanique Desray
(3) Stefano Mancuso. Plant revolution: le piante hanno già inventato il nostro futuro. Giunti ed., Milano, 2017. ISBN 9788809831360
(4) Gagliano M., Renton M., Depczynski M., Mancuso S. (2014) Experience teaches plants to learn faster and forget slower in environments where it matters. Oecologia, 175(1), 63-72. doi: 10.1007/s00442-013-2873-7
(5) Rajasekhar VK, Vemuri MC. Molecular insights into the function, fate, and prospects of stem cells. (2005). Stem Cells, 2005 Sep;23(8):1212-20. doi: 10.1634/stemcells.2005-0336
(6) Dario Dongo, Giulia Torre. Desertificazione e degrado dei suoli, la ricerca e innovazione di PRIMA. GIFT (Great Italian Food Trade). 22.6.22
(7) Dario Dongo. Siccità, acque agricole e i furbetti dei laghetti. #VanghePulite. GIFT (Great Italian Food Trade). 15.8.22
(8) Pedro Royero, Anne Quatraccioni, Rieke Früngel, Mariella Hurtado Silva, Arco Bast, Thomas Ulas, Marc Beyer, Thoralf Opitz, Joachim L. Schultze, Mark E. Graham, Marcel Oberlaender, Albert Becker, Susanne Schoch, Heinz Beck (2022). Circuit-selective cell-autonomous regulation of inhibition in pyramidal neurons by Ste20-like kinase. Cell Reports, Vol 41, Issue 10, Dec. 6 2022. doi:https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111757
Laureata in biotecnologie industriali e appassionata di sviluppo sostenibile.
