Le piante normalmente acquisiscono l'azoto (N) dal suolo, ma le leguminose possono diventare quasi indipendenti da questo N, ciò è dovuto ad una interazione benefica con i batteri che inducono la formazione di noduli radicali azotofissatori. Durante la simbiosi i batteri invadono i noduli in via di sviluppo e all'interno di alcune cellule nodulari, si differenziano in batteroidi. Uno o più batteroidi circondati dalla membrana peribatteroidale formano strutture organello-simile, i simbiosomi che convertono l'N atmosferico (N2) non utilizzabile ad NH4+, ricevendo in cambio fonti di energia dalla pianta ospite. L'N fissato è allora esportato, assimilato, e trasportato al resto della pianta.
I nostri sforzi sono focalizzati sulla determinazione dei flussi dei composti azotati che avvengono nella simbiosi. Vari geni batterici e di pianta coinvolti nel metabolismo dell'N sono stati studiati mentre i corrispondenti mutanti sono stati isolati e caratterizzati. Questo ci ha permesso di chiarire il circuito regolativo responsabile dello spegnimento dei geni batterici coinvolti nel trasporto e nell'assimilazione dell'ione NH4+ che avviene precocemente durante la simbiosi e cioè precedentemente all'attivazione dei geni coinvolti nella fissazione dell'N2. Questo disacoppiamento risulta essenziale sia per il differenziamento dei simbiosomi sia per lo sviluppo dei noduli (vedi allegato).
Le nostre ricerche hanno inoltre ricadute sulla comprensione dei meccanismi di sviluppo delle piante. Infatti, la formazione di un nodulo è il risultato di una cascata di eventi di dedifferenziamento-differenziamento cellulare regolati sia spazialmente che temporalmente. In questo contesto abbiamo analizzato gli eventi morfogenetici alla base dello sviluppo nodulare, come: deformazione dei peli radicali; formazione dei canali d'infezione; induzione del primordio nodulare; induzione ed attività del meristema nodulare; invasione intracellulare e differenziamento dei simbiosomi (vedi nostra review allegata). Mutanti batterici e di pianta sono risultati strumenti fondamentali per correlare questi eventi con ad es. le molecole segnale coinvolte (ormoni,ecc.) e i metaboliti (amminoacidi, zuccheri ecc.) scambiati. Inoltre, le alterazioni indotte da trattamenti con ormoni o intermediari metabolici hanno avvalorato alcune di queste correlazioni.
Riassumendo, la nostra ricerca è focalizzata sull'impatto di alcuni geni batterici e di pianta, inclusi quelli che codificano per i trasportatori dell' NH4+, la biosintesi/degradazione di amminoacidi e di ormoni vegetali (come le auxine), sia sulla regolazione della nodulazione (numero di noduli) che sul processo di sviluppo, attività, e senescenza (stadio finale) nodulare. La principale innovazione dei nostri studi nasce quindi da un nuovo approccio per sviluppare legumi N-efficienti così come da nuovi concetti che permettano di ottimizzare il processo di fissazione dell'N2, sfruttando i sistemi di trasporto dell'NH4+ (uptake e/o efflusso) da parte di entrambi i partners.
A causa dell'importanza dei legumi nell'agricoltura il nostro lavoro può avere delle implicazioni pratiche riducendo i costi di produzione e l'inquinamento provocato dai fertilizzanti azotati. Ad esempio, la nostra conoscenza delle caratteristiche dei batteri utili alla nodulazione può condurre allo sviluppo di inoculanti batterici capaci di competere positivamente con ceppi indigeni e/o di nodulare sotto condizioni di stress (salino, pH).
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