La memoria prionica delle piante. Un pulsante di reset per la "memoria" delle piante. / The prion memory of the plants. A reset button for the "memory" of the plants.

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Joseph Cotellessa

Anche le piante hanno un meccanismo che permette di ricordare gli eventi salienti della loro esistenza, dall'esposizione alla siccità o al freddo fino alle aggressioni da parte di agenti patogeni. Questa memoria è conservata in modo diffuso da proteine che hanno le stesse caratteristiche dei prioni.

Anche le piante formano dei "ricordi", ossia tengono traccia delle loro precedenti esposizioni a siccità, calore, freddo prolungato, agenti patogeni, oltre che della lunghezza del giorno. La memoria di questi eventi permette alla pianta di distinguere, per esempio, l'improvviso crollo della temperatura di una sola nottata dalla prolungata esposizione al freddo invernale che, grazie alla stabilità di questa memoria, promuove la fioritura in primavera.

Ma non solo: se esposto al freddo, un callo vegetale - una massa di tessuti indifferenziati - si sviluppa in una nuova pianta che si comporta come se avesse passato un inverno rigido, senza averlo mai realmente sperimentato. Ciò dimostra che la memoria delle piante viene trasmessa per via epigenetica, ossia attraverso proteine che influenzano l'espressione dei geni.

Il fenomeno è, in un certo senso, simile a quello del cosiddetto potenziamento a lungo termine delle sinapsi neuronali che permette la conservazione dei ricordi nel cervello degli animali, e che - come è stato dimostrato di recente - coinvolge delle proteine che hanno caratteristiche simili a quelle dei prioni.

Grazie alla conoscenza della sequenza di DNA che codifica per una proteina prionica presente nei lieviti, Susan Lindquist e colleghi hanno passato al setaccio l'intero genoma di Arabidopsis thaliana per identificarne le regioni che mostravano una certa somiglianza con quella sequenza. In questo modo gli autori hanno 

identificato 474 proteine potenzialmente prioniche, che hanno poi vagliato sulla base di considerazioni strutturali e di test in vitro.

In questo modo sono riusciti a isolare una proteina, la luminidependens (LD), che è coinvolta nella fioritura e mostra le caratteristiche delle proteine prioniche, come la capacità di autoreplicarsi. Secondo gli autori la conformazione di luminidependens e alcuni test in vitro suffragano l'ipotesi che si tratti di una proteina prionica -  la prima mai individuata in una pianta - che media le memorie di Arabidopsis, o quanto meno quelle che hanno a che fare con il processo di fioritura.

Un pulsante di reset per la "memoria" delle piante

Le piante possiedono meccanismi che permettono di "ricordare" gli stress a cui sono sottoposte e di reagire più prontamente quando si ripresentano, adattando il proprio metabolismo. Se però uno stress si dimostra occasionale, dopo un certo tempo la memoria viene cancellata.

Le piante dispongono di un meccanismo che permette loro di azzerare la “memoria ambientale” delle condizioni in cui sono vissute per adattare la propria fisiologia a una situazione nuova. A identificare i principali meccanismi di questa strategia evolutiva è stato un gruppo di ricercatori dell'Australian National University a Canberra.
Le piante crescono e sono coltivate in ambienti dinamici, dove possono essere esposte a una molteplicità di fattori stressanti, che influenzano il loro sviluppo, la resa, e, in ultima analisi, il loro successo riproduttivo. Le piante, tuttavia, riescono ad acclimatarsi rapidamente e non di rado perfino a rafforzarsi e ad aumentare le proprie difese, grazie a un meccanismo di memoria degli stress subiti che consente risposte rapide e più efficaci di fronte al ripetersi di una perturbazione ambientale.

Alcune situazioni di stress – per esempio un periodo di siccità - possono persistere per settimane o mesi, ma più spesso gli stress subiti dalle piante sono transitori.  Per esempio, nel corso di una giornata, le foglie del sottobosco possono essere esposte ripetutamente a macchie di luce e al rischio di disidratarsi.

Una prima esposizione a questo stress può innescare un meccanismo di risposta con la produzione di sostanze – particolari sequenze di RNA - che, rimanendo nella pianta, ne accelerano la risposta a un ripresentarsi successivo dello stesso problema. Queste sequenze di RNA, cioè, rappresentano una memoria dello stress subito e operano a livello epigenetico, ossia alterano i livelli di espressione di diversi geni.

In alcuni casi, però, il meccanismo non pare funzionare. Ora Peter A. Crisp e colleghi hanno scoperto che non si tratta di un difetto della

memoria della pianta, ma dell'espressione di un meccanismo che conferisce una capacità di adattamento ancora superiore: se la memoria dei fattori di stress rimanesse stabilmente ma per i fattori che hanno generato quella memoria finissero, la pianta si troverebbe svantaggiata. Meglio dunque poter “resettare” la memoria e tornare allo stato originario.

Questo meccanismo di reset è risultato legato al metabolismo dell'RNA della pianta: in particolare, l'RNA che conserva la memoria viene conservato o degradato a seconda del tempo che intercorre fra due eventi stressanti dello stesso tipo.

ENGLISH

Even plants have a mechanism that allows you to remember the main events of their existence, from exposure to drought or cold to the attacks by pathogens. This memory is maintained in a manner popularized by proteins that have the same characteristics of prions.

Plants also form the "memories" that they keep track of their previous exposure to drought, heat, prolonged cold, pathogens, as well as the length of the day. The memory of these events allows the plant to distinguish, for example, the sudden collapse of the temperature of a single night from prolonged exposure to winter cold that, thanks to the stability of this memory, promotes flowering in the spring.

But not only when exposed to the cold, a plant callus - a mass of undifferentiated tissue - develops into a new plant that behaves as if it had been a hard winter, without ever really experienced. This shows that the memory of the plants is transmitted via epigenetics, ie through proteins that influence the expression of genes.

The phenomenon is, in a sense, similar to that of the so-called long-term potentiation of the neuronal synapses that allows the storage of memories in the animal brain, and that - as has been demonstrated recently - involves the proteins that have similar features to those of prions.

Thanks to the knowledge of the DNA sequence coding for a prion protein found in yeasts, Susan Lindquist and colleagues sifted through the entire genome of Arabidopsis thaliana to identify the regions that showed a certain resemblance to that sequence. In this way the authors have

identified 474 potentially prion proteins, which have then screened based on structural considerations and in vitro tests.

In this way they were able to isolate a protein, luminidependens (LD), which is involved in flowering and shows the characteristics of the prion protein, such as the ability to self-replicate. According to the authors the conformation of luminidependens and some in vitro tests support the hypothesis that it is a prion protein - the first ever detected in a plant - which mediates the memories of Arabidopsis, or at least those that have to do with the flowering process.

A reset button for the "memory" of plants

The plants have mechanisms that allow you to "remember" the stresses to which they are subjected and respond more quickly when they recur, adapting their metabolism. If, however, a stress is demonstrated occasional, after a certain time the memory is cleared.

The plants have a mechanism that allows them to reset the "environmental memory" of the conditions in which they lived to adapt their physiology to a new situation. To identify the main mechanisms of this evolutionary strategy was a group of researchers at the Australian National University in Canberra.

The plants grow and are cultivated in dynamic environments, where they can be exposed to a variety of stressors that affect their development, yield, and, ultimately, their reproductive success. The plants, however, are able to acclimate quickly and often even to strengthen and boost the immune system, thanks to a memory mechanism of sustained stress that allows rapid response and more effective in front of the recurrence of an environmental disturbance.

Some stress situations - for example a period of drought - may persist for weeks or months, but more often the stress suffered by the plants are transient. For example, in the course of a day, the leaves of the undergrowth can be repeatedly exposed to the spots of light and to the risk of dehydration.

A first exposure to this stress can trigger a response mechanism with the production of substances - specific RNA sequences - that, remaining in the plant, accelerate the response to a subsequent recurrence of the same problem. These RNA sequences, ie, representing a stress memory and immediately operate at the epigenetic level, that alter the expression levels of different genes.

In some cases, however, the mechanism seems not to work. Now Peter A. Crisp and colleagues found that this is not a defect of

memory of the plant, but the expression of a mechanism that gives a still higher adaptability: if the memory of the stress factors remain stably but for the factors that have generated that would end memory, the plant will be disadvantaged. Better therefore to "reset" the memory and return to its original state.

This reset mechanism is linked to the result of RNA metabolism of the plant: in particular, the RNA that preserves the memory is stored or degraded depending on the time that elapses between two of the same stressful events.

Da:

http://www.lescienze.it/news/2016/04/27/news/memoria_piante_proteine_prioni-3066927/

http://www.lescienze.it/news/2016/02/23/news/piante_azzeramento_memoria_variazioni_ambiente_stress-2982526/