Le piante hanno bisogno di fosforo per crescere, ma in molti terreni questo elemento è intrappolato e difficile da assorbire.

Alcune piante risolvono questo problema formando radici a grappolo: densi gruppi di piccole radici che rilasciano composti naturali nel terreno. Questi composti liberano il fosforo, permettendo alle piante di assorbirlo e sopravvivere in ambienti poveri di nutrienti.

Per comprendere meglio come le piante applicano queste strategie in terreni poveri di nutrienti, i ricercatori stanno studiando in dettaglio i sistemi radicali a grappolo.

Il Dott. Hirotsuna Yamada, Professore Associato (con incarico speciale) presso la Graduate School of Integrated Sciences for Life della Hiroshima University, condivide alcuni approfondimenti sulle radici a grappolo e su come l'imaging avanzato supporta il suo lavoro.

Informazioni sul Dott. Hirotsuna Yamada

Sulla base dell'esperienza di ricerca maturata in Australia, il dottor Hirotsuna Yamada studia i meccanismi di assorbimento dei nutrienti nelle piante che si sono adattate ad ambienti estremi. Attualmente, si dedica prevalentemente alla secrezione di metaboliti ed enzimi nelle radici a grappolo che svolgono un ruolo nell'acquisizione del fosforo, nonché sui geni che regolano questi processi.

Qual è il suo attuale ambito di ricerca?

Dott. Yamada: La mia ricerca si ripropone di scoprire in che modo le piante riescono ad assorbire efficacemente il fosforo. Sono particolarmente interessato alle strutture dette "radici a grappolo", che non solo ampliano la superficie delle radici, ma rilasciano anche grandi quantità di acidi organici e fosfatasi acide, com'è noto.

Poiché lavoro con specie non modello (Figura 1), la manipolazione genetica risulta difficile. Per questo motivo, combino invece varie tecniche, tra cui la colorazione istochimica, l'analisi dell'attività enzimatica e l'analisi dell'espressione genica per far progredire la ricerca.

Perché ha scelto di concentrare la sua ricerca sulle radici a grappolo?

Dott. Yamada: Le radici a grappolo rappresentano un adattamento altamente specializzato che le piante hanno sviluppato per procurarsi sufficiente fosforo, un nutriente spesso scarsamente disponibile nel terreno. Queste radici si distinguono per la loro capacità di mobilitare il fosforo da fonti altrimenti inaccessibili.

Uno degli aspetti più interessanti è che i geni chiave responsabili della formazione delle radici a grappolo sono tuttora in gran parte non identificati. La nostra ricerca si concentra sullo sviluppo delle singole radichette, le piccole radici che costituiscono la struttura a grappolo, e stiamo lavorando per identificare i geni che regolano la formazione di radichette primordiali.

Questa ricerca, oltre ad approfondisce la nostra comprensione delle strategie di acquisizione dei nutrienti da parte delle piante, offre potenziali applicazioni in agricoltura e nel campo della conservazione ambientale, favorendo un uso più efficiente del fosforo disponibile.

In che modo il microscopio a fluorescenza da banco APEXVIEW™ APX100 ha supportato la sua ricerca?

Dott. Yamada: La ricerca sui meccanismi di assorbimento dei nutrienti nelle piante prevede numerose fasi sperimentali, dalla coltivazione delle piante e dal prelievo sul campo all'analisi degli elementi e dell'attività enzimatica, alla profilazione dei metaboliti e all'analisi dell'espressione genica. La microscopia può rappresentare solo una piccola parte del flusso di lavoro che include tutte queste attività, probabilmente solo qualche punto percentuale, ma le immagini ottenute possono influenzare notevolmente l'affidabilità della ricerca.

Per quanto mi riguarda, acquisire una buona padronanza della microscopia è stata una delle competenze fondamentali che ho dovuto sviluppare. Nel nostro studio pubblicato su New Phytologist, abbiamo osservato l'attività della fosfatasi acida¹ e la localizzazione della suberina² nelle radici a grappolo mediante colorazione delle sezioni radicali con fosfato ELF 97 (per la fosfatasi acida) e Fluorol Yellow 088 (per la suberina), a cui è seguita l'acquisizione dell'imaging a fluorescenza con il microscopio APX100 (Figura 2).

Ciò che mi ha colpito dell'APX100 non è stata solo la qualità delle immagini, ma anche il flusso di lavoro, fluido e intuitivo. Il sistema consente l'imaging simultaneo panoramico di più campioni disposti su un vetrino e il suo funzionamento permette di accedere rapidamente a specifiche regioni di interesse. Queste caratteristiche hanno aumentato notevolmente l'efficienza del nostro processo di acquisizione delle immagini.

Oltre che dall'imaging a fluorescenza, sono rimasto colpito dalla naturalezza con cui il sistema riproduce il colore e la consistenza dei tessuti vegetali. In questo studio, la visualizzazione della struttura delle radici a grappolo e dei siti di deposizione della suberina corrispondenti è stata fondamentale per comprenderne la funzione.

Utilizzando l'APX100, abbiamo osservato le stesse sezioni di radici a grappolo e non a grappolo sia in fluorescenza che in campo chiaro (Figura 3). Questo ci ha permesso di accertare l'assenza di suberina negli strati esterni delle radici a grappolo (tramite fluorescenza), nonché di identificare le caratteristiche strutturali delle radici a grappolo sulla base della distribuzione della lignina³ e dei tratti anatomici (tramite microscopia in campo chiaro).

Di conseguenza, abbiamo scoperto un nuovo percorso di secrezione che conferma la superiore capacità di essudazione delle piante con radici a grappolo che si sono adattate a condizioni di scarsa presenza di fosforo. Nello specifico, l'assenza di un esoderma suberificato, che normalmente agisce come barriera contro sostanze esterne, consente una diffusione agevole degli essudati dagli strati cellulari interni della radice al terreno circostante.

Osservare attentamente le differenze strutturali delle radici di specie diverse è fondamentale per comprendere la funzione delle piante. Il sistema a doppia fotocamera dell'APX100, dotato sia di una fotocamera monocromatica ad alta sensibilità per la fluorescenza che di una fotocamera a colori per un imaging naturale, ci consente di acquisire simultaneamente entrambi i tipi di immagini. Questa possibilità è preziosa per la ricerca sulle piante.

Sebbene la microscopia rappresenti solo una parte dell'intero processo di ricerca, ho compreso che eseguire questa fase con elevata affidabilità ed efficienza è essenziale per garantire la qualità complessiva della ricerca.

Questa immagine mostra l'attività enzimatica della fosfatasi acida, che svolge un ruolo nella solubilizzazione del fosfato:

¹ Fosfatasi acida: un enzima che idrolizza i gruppi fosfati dei composti organici. Nelle piante, viene secreta dalle radici per convertire il fosforo organico presente nel terreno in fosfato inorganico (Pi), facilitando l'assorbimento del fosforo. La sua attività è ottimale in ambienti acidi.

² Suberina: componente idrofobico della parete cellulare che forma strati concentrici attorno ai fasci vascolari nelle radici delle piante. Funziona come una barriera fisica che regola il movimento dell'acqua e dei soluti e impedisce l'ingresso di sostanze nocive. Generalmente, si trova nelle cellule dell'endoderma e dell'esoderma.

³ Lignina: importante componente delle pareti cellulari vegetali che fornisce resistenza strutturale e protegge i tessuti vegetali dagli attacchi di microbi e insetti.

Quali sono i suoi obiettivi di ricerca futuri?

Dott. Yamada: In futuro, intendo chiarire le dinamiche temporali e i percorsi di assorbimento del fosforo nelle radici a grappolo, dal momento dell'essudazione radicale fino all'effettivo assorbimento del fosforo. Stiamo inoltre lavorando per identificare i fattori regolatori a monte che controllano la formazione delle radici a grappolo. Comprendere i modelli di espressione spaziale e temporale di questi geni sarà fondamentale.

La microscopia continuerà a svolgere un ruolo centrale per il progresso di questa ricerca. Utilizzando l'APX100, prevediamo di generare immagini composite ad alta risoluzione che catturano ampie aree di tessuto radicale, oltre ad acquisire set di dati multidimensionali.

In definitiva, spero di svelare nuove prospettive sui meccanismi di assorbimento del fosforo delle radici a grappolo e di scoprire come applicare queste conoscenze per sviluppare colture con capacità migliori di acquisizione del fosforo.

Primo piano delle caratteristiche più apprezzate dell'APX100

Il microscopio APX100 è noto per la facilità d'uso del suo imaging eccezionale per ricercatori di tutti i livelli. Abbiamo parlato con i docenti della Graduate School of Integrated Sciences for Life dell'Università di Hiroshima per conoscere le loro caratteristiche preferite dell'APX100 per l'imaging e la ricerca.

1. Navigatore intelligente del campione

Quando un campione viene posizionato sul microscopio, il navigatore intelligente del campione acquisisce istantaneamente un'immagine macro e utilizza l'intelligenza artificiale per rilevare automaticamente il campione. A questo punto, ai ricercatori basta selezionare il metodo di osservazione desiderato per ottenere facilmente immagini ad alta risoluzione dell'area desiderata direttamente dalla vista macro.

2. Sistema prestazioni elevate con due fotocamere

Il microscopio APX100 integra due fotocamere in un unico sistema: una fotocamera a colori dall'eccellente resa cromatica e una fotocamera monocromatica ad alta risoluzione e sensibilità. Il sistema alterna automaticamente le due fotocamere in base allo scopo.

3. Qualità affidabile delle immagini e trasparenza dei dati

Il microscopio APX100 è di proprietà della Professore associato, Dott. Yuki Kobayashi dell'Università di Hiroshima. Attraverso l'uso condiviso all'interno dell'università, ora i ricercatori acquisiscono dati in modo efficiente in più laboratori.

Il Dott. Kobayashi parla di come il workflow di imaging dell'APX100 faciliti qualità e trasparenza dei dati.

«Sono soddisfatta del flusso di lavoro, che consente la regolazione del contrasto dopo l'acquisizione dell'immagine. La possibilità di presentare i dati grezzi prima di qualsiasi modifica consente di acquisire fiducia nell'integrità e nella trasparenza dei dati, anche in chi non ha familiarità con la microscopia», Dott. Yuki Kobayashi, Professore associato, Università di Hiroshima

Questo flusso di lavoro svolge un ruolo fondamentale nel garantire l'affidabilità dei dati della ricerca. Quando presentano articoli o conducono ricerche collaborative, i ricercatori possono presentare dati originali, migliorando la riproducibilità e la trasparenza.

Ringraziamenti

Desideriamo ringraziare i docenti della Graduate School of Integrated Sciences for Life dell'Università di Hiroshima per la loro collaborazione per la realizzazione di questa intervista.

^{Dichiarazione di non responsabilità: Le opinioni e le affermazioni espresse in questa intervista sono quelle del singolo ricercatore e non riflettono necessariamente i punti di vista o le affermazioni di Evident. I prodotti e le tecnologie menzionati sono destinati esclusivamente alla ricerca e non sono progettati per applicazioni cliniche o diagnostiche.}

Bibliografia

Yamada, Hirotsuna e Jun Wasaki et al. 2024. “HalALMT1 Mediates Malate Efflux in the Cortex of Mature Cluster Rootlets of Hakea laurina, Occurring Naturally in Severely Phosphorus-Impoverished Soil.” New Phytologist.